Источник бесперебойного питания

2006 г.

Вступление

В настоящее время наблюдается увеличение потребности в высокоскоростных центрах обработки данных, системах телекоммуникационной связи в реальном масштабе времени и применении систем с непрерывным автоматическим технологическим процессом. Рост потребности в таком оборудовании вместе с обеспечением большим количеством разнообразных возможностей выдвигает повышенные требования к источникам электропитания.

Невзирая на то, что при генерации электроэнергии, напряжение имеет отличные характеристики, в тот момент, когда электропитание достигает потребителя, его качество далекое от идеального. Большинство типов помех недопустимое, например, значительные провалы напряжения и колебания частоты, что может привести к непоправимым потерям, вызванным повреждением оборудования. Обычно же финансовые последствия этого могут быть существенными, влияя не только на текущую работу, но, что является серьезнее, и на развитие предприятия, которое понесло убытки.

При проектировании радиоэлектронной аппаратуры, одним из основных критериев экономичности является снижение потребляемой устройством мощности (в частности, применение новых технологий позволило сократить на несколько порядков потребление энергии бытовой аппаратурой, по сравнению, например с тем, что было десятки лет тому назад).

За прошедшие более чем 100 лет от момента появления первого электронного устройства (радио А.С. Попова) до наших дней изменилось несколько поколений электронных устройств, которые имеют принципиальные отличия по функциональным возможностям, типу применяемой элементной базы, конструктивно-техническому решению и т.д. Это равной мерой относится к радиоэлектронной аппаратуре бытового назначения, так и системам управления сложными техническими объектами, такими как воздушные лайнеры, космические аппараты и др. Однако каждый вид электронных средств, будь это компьютер, схема управления работой системы жизнеобеспечения, проигрыватель компакт дисков или радиолокационная станция, все они имеют устройство, которое обеспечивает электропитанием все узлы и элементы (электронных ламп, транзисторов, микросхем), устройств, которые входят в ту или другую систему. Следовательно, наличие источника питания в любом устройстве вещь вполне очевидная и требования к нему достаточно большие, ведь от его качественной работы зависит работа устройства в целом. Особенное внимание, при разработке источников питания, стали уделять при построении сложных цифровых устройств (персональный компьютер или любая другая микропроцессорная техники), где возникла потребность обеспечения этих устройств непрерывным и самое главное - качественным питанием. Пропадание напряжения для устройств этого класса может быть фатальным: медицинские системы жизнеобеспечения нуждаются в постоянной работе комплекса устройств, и требования к их питанию очень строги; системы банковской защиты и охранные системы; системы экстренной связи и передачи информации.

При создании электронного устройства отдельного класса и назначения (электронно-вычислительные машины, медицинская и бытовая электронная техника, средства автоматизации) источник обеспечения гарантированного питания может быть подобран из тех, которые выпускаются серийно. В некоторых странах существуют фирмы, которые специализируются на промышленном выпуске источников бесперебойного питания, и потребитель имеет возможность выбрать тот, который ему больше всего подходит. Однако, когда по эксплуатационным, конструкторским или другим характеристикам источника бесперебойного питания, которые выпускаются серийно, не удовлетворяют потребностям потребителя, необходимо разработать новый, с учетом всех правил, специфических для этого вида.

Темой данного проекта является разработка универсального источника бесперебойного питания (далее ИБП). Его универсальность заключается в том, чтобы он мог использоваться в любой аппаратуре мощностью до 600 Вт, начиная с персонального компьютера и заканчивая медицинской аппаратурой. Причина построения бесперебойного источника — это возможность его использования в любой аппаратуре, для которой стабильное электропитание является важным фактором.

Раздел № 1. Техническая часть. Обоснование обеспечения условий ТЗ.

Исходя из назначения проектируемого устройства и специфики области его применения, рассмотрим основные критерии, согласно которым будет вестись последующая разработка.

К основным критериям разработки источника бесперебойного питания стоит отнести надежность и стойкость к внешним воздействиям (в частности, к вибрационным и ударным нагрузкам).

Для повышения надежности блока, при его проектировании, предлагается:

- обеспечить легкие электрические, тепловые рабочие режимы деталей и материалов конструкции, их правильный выбор;

- обеспечить надежную защиту от внешних и внутренних дестабилизирующих факторов;

- широко использовать интегральные микросхемы (далее ИМС), а также стандартные компоненты;

- обеспечить ремонтопригодность изделия, используя функционально-узловой метод конструирования.

На ранней стадии, процесс проектирования заключаться в рассмотрении подобных систем с подбором технологии электропитания. Перечислим факторы, что влияют на этот этап:

- стоимость;

- масса и размеры;

- коэффициент полезного действия блока питания;

- входное напряжение;

- срок действия аккумуляторной батареи;

- необходимое качество выходящего напряжения;

- время, необходимое для выхода продукции на рынок.

С целью обеспечения эстетических и эргономичных показателей, предлагается использовать современный дизайн.

Для обеспечения заданных климатических и механических требований предлагается использовать элементную базу и материалы, учитывая предельные внешние воздействия, которые негативно влияют на работоспособность изделия.

1.2. Обзор аналогов изделия.

Одним из аналогов нашего изделия являются ИБП PW5125RM и PW5115RM производства фирмы Powerware. Они также предназначены для крепления в серверную стойку и имеют выходную мощность 1000ВА. Другие технические характеристики можно привести в виде таблицы.

Характеристики ИБП. Таблица 1.2.1.

Данные ИБП имеют хорошие параметры и высокую цену. Поэтому, возникает необходимость в дешевых и надежных ИБП, которые не уступают по характеристикам их зарубежным аналогам и даже превосходят. В дипломном проекте будет проведена разработка такого устройства.

1.3. Описание структурной схемы.

1.3.1. Обзор и анализ структурных схем систем бесперебойного питания

Источник бесперебойного питания — автоматическое устройство, которое обеспечивает питание нагрузки при полном исчезновении напряжения во внешней электросети, например в результате аварии или от недопустимо высокого отклонения параметров напряжения сети от номинальных значений. Пари этом ИБП использует для аварийного питания нагрузки энергию аккумуляторных батарей.

Рассмотрим несколько основных типов построения структурных схем ИБП:

ИБП резервного типа.

Линейно-интерактивный ИБП.

ИБП с двойным преобразованием напряжения.

ИБП резервного типа (Off-Line или standby)

Рис. 1.3.1. ИБПтипа Off-Line.

Источник бесперебойного питания, выполнен по схеме с коммутирующим устройством, которое в нормальном режиме работы обеспечивает подключение нагрузки непосредственно к внешней электросети, а в аварийном переводит ее на питание от аккумуляторных батарей. Преимуществом ИБП резервного типа является его простота и невысокая стоимость, а недостатком – ненулевое время переключения (~4 мс) на питание от аккумуляторов и более интенсивная их эксплуатация, потому что ИБП переводится в аварийный режим при любых неисправностях в электросети.

ИБП резервного типа, как правило, имеет небольшую мощность и применяется для обеспечения гарантированного электропитания отдельных устройств (персональных компьютеров, рабочих станций, офисного оборудования) в регионах с хорошим качеством электросети.

Линейно-интерактивный (Line-Interactive) .

Источник бесперебойного питания, выполненный за схемой с коммутирующим устройством (Off-Line), дополненный стабилизатором входного напряжения на основе автотрансформатора с переключающимися обмотками.

Рис. 1.3.2. ИБП, тип Line-Interactive.

Основное преимущество линейно-интерактивного ИБП по сравнению с источником резервного типа заключается в том, что он способен обеспечить нормальное питание нагрузки при повышенном или пониженном напряжении электросети (самый распространенный вид неисправностей в отечественных линиях электроснабжения) без перехода в аварийный режим. В итоге повышается срок службы аккумуляторных батарей. Недостатком линейно-интерактивной схемы является ненулевое время переключения (~4 мс) нагрузки на питание от батарей.

По эффективности линейно-интерактивные ИБП занимают промежуточное значение между простыми и относительно дешевыми резервными источниками (Off-Line) и высокоэффективными, но и более дорогими источниками с двойным преобразованием напряжения (On-Line). Как правило, линейно-интерактивные ИБП применяют для обеспечения гарантированного питания персональных компьютеров, рабочих станций, файловых серверов, узлов локальных вычислительных сетей и офисного оборудования. Механизм автоматической регулировки напряжения построен на основе автотрансформатора с переключающимися обмотками. Применяется в ИБП, собранных по линейно-интерактивной схеме, для ступенчатой корректировки входного напряжения в сторону его повышения. Число обмоток регулятора определяет диапазон входных напряжений, при которых ИБП обеспечивает нормальное питание нагрузки без перехода в аварийный режим работы. В ИБП такой структуры, в среднем, диапазон допустимого изменения входного напряжения составляет от -20% к +20% от номинального значения 220 В.

ИБП с двойным преобразованием напряжения (On-Line)

Источник бесперебойного питания, в котором входное переменное напряжение сначала преобразуется выпрямителем в постоянную, а затем посредством инвертора опять в переменную – является источником с двойным преобразованием напряжения (энергии) (On-Line). Аккумуляторная батарея постоянно подключена к выходу выпрямителя и ко входу инвертора и питает последний в аварийном режиме.

Рис. 1.3.1. ИБП, тип On-Line.

Такая схема построения ИБП позволяет обеспечить практически идеальное питание нагрузки при любых неполадках в сети (включая фильтрацию высоковольтных импульсов и электромагнитных помех) и характеризуется нулевым временем переключения в аварийный режим без возникновения переходных процессов на выходе устройства.

К недостаткам схемы с двойным преобразованием напряжения стоит отнести ее сравнительно большую сложность и как следствие — более высокую стоимость.

ИБП On-Line типа применяют в случаях, когда из-за тех или иных причин, имеются повышенные требования к качеству электропитания нагрузки, которая может быть в роли узлов локальных вычислительных сетей (сетевое оборудование, файловые серверы, рабочие станции, персональные компьютеры), оборудование вычислительных залов, системы управления технологическим процессом.

По схеме с двойным преобразованием (On-Line) построены, например, модели PW5125RM компании Powerware. Они оснащены плавным стабилизатором входного напряжения, благодаря которому диапазон допустимых значений входного напряжения, при которых источник не переходит на питание от батарей, составляет от 166 до 276 Вольт.

В таких схемах присутствует режим Bypass — питание нагрузки отфильтрованным напряжением электросети в обход основной схемы ИБП. Переключение в режим Bypass, который поддерживается внутренней схемой ИБП или специальным внешним модулем, может выполняться автоматически или вручную. ИБП, который имеет соответствующую встроенную схему, автоматически переходит в режим Bypass по команде устройства управления, при перегрузке электросетей или при выявлении неисправности в важных узлах ИБП. Таким способом нагрузка защищается не только от сбоев в электросети, но и от неполадок в самом ИБП. Возможность ручного включения режима Bypass предусматривается на случай проведения профилактического обслуживания ИБП или замены его узлов без отключения нагрузки.

Схема типа Off-Line является более простой и дешевой. Соответственно разрабатываемый в данном дипломном проекте источник бесперебойного питания тоже построим по этому принципу. Однако, усовершенствованные узлы функциональной схемы и соответственно характеристики позволят получить более востребованное и конкурентно-способное изделие с лучшими параметрами эксплуатации и меньшей ценой, чем его зарубежные аналоги.

1.3.2. Описание структурной схемы источника бесперебойного питания.

Структурная схема источника бесперебойного питания представлена в графической части дипломного проекта на листе РТ01.430127.001 Э1.

Построение систем бесперебойного питания зависит от задач, которые на них возлагаются. В некоторых случаях необходимо добиться наименьшего показателя — время переключения нагрузки на питание от аккумуляторных батарей или наоборот. В других случаях необходимо обеспечить долговременную работу от аккумуляторной батареи, при этом время переключения не является критической величиной. То есть, можно сказать, что для каждого конкретного случая нужно решать абсолютно разные технические задачи.

Разрабатываемый блок предназначен для обеспечения непрерывного питания разнообразных устройств (серверов, персональных компьютеров, модемов и др.) стабилизированным напряжением 220В, 50Гц. Конкретней, система предназначена для питания устройств, которые имеют импульсные источники питания. Это позволяет смягчить требования относительно разработки нашего прибора, так как импульсные источники питания способны работать в сети с отклонениями напряжения ± 20% от номинального значения. Еще одним преимуществом является способность их работы от сети, которая имеет не синусоидальную форму напряжения (аппроксимированная синусоида, квази синусоида).

Рассмотрим основные блоки, которые входят в состав устройства:

Устройство коммутаций.

Сетевой фильтр.

Зарядное устройство.

Аккумуляторная батарея.

Преобразователь переменного напряжения в постоянное.

Стабилизатор постоянного напряжения.

Преобразователь постоянного напряжения в переменное.

Устройство коммутаций байпас.

Датчик тока.

Исходный фильтр.

Датчик температуры.

Интерфейс.

Устройство индикации.

Устройство управления работой ИБП.

Для обеспечения работы и нормального функционирования всех частей ИБП, необходимо звено, которое осуществляло бы связь между всеми этими частями. Можно рассмотреть несколько видов таких схем:

Аналоговые системы, операции регулирования в которых осуществляются путем сравнения, усиления и преобразования аналоговых сигналов. Погрешность установки параметров в такой системе сильно зависит от параметров активных и пассивных элементов схемы. Такие системы используются, в основном в недорогих устройствах.

Цифровые системы, операции управления проводятся над цифровыми величинами, полученными из аналоговых сигналов путем оцифровки аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). Точность таких систем намного выше за счет использования математического аппарата вычисления.

Комбинируемые, операции управления и регуляции в которых выполняются либо аналоговыми, либо цифровыми устройствами.

В нашем случае система управления работой ИБП построена на микроконтроллере ATTiny26. Он представляет собой высокопродуктивный контролер с функциями многоканального аналого-цифрового преобразователя. Ввод и вывод информации в микроконтроллер (далее МК) может осуществляться как в аналоговом так и в цифровом виде. Использование новейших разработок, которые содержат в своем составе МК, позволяет намного упростить схему. Микроконтроллер управляет работой как схемы управления так и работой всего устройства.

Схема управления выполняет роль интерфейса ИБП, подавая соответствующую команду включения на устройство коммутаций, осуществляет управление переключения нагрузки на питание от сети или от аккумуляторных батарей, следит за напряжением на аккумуляторных батареях (далее АБ). Если напряжение на АБ становится меньшим 10,5 В, то осуществляется аварийное отключение ИБП. Аварийное отключение осуществляется также, когда температура окружающей среды выходит за пределы допустимой. Для измерения температуры используется температурный датчик. На устройство управления работой ИБП поступает информация о величинах напряжения в сети. Обрабатывая эту информацию МК производит соответствующие сигналы управления для других узлов, составляющих блока.

Для измерения выходной мощности используется датчик тока. Если через датчик протекает ток больше допустимого, схема управления отключает нагрузку. Это обеспечивает защиту от выхода из строя устройства преобразования постоянного напряжения в переменную.

Особенно большое значение в ИБП имеет наличие связи с ПК. Это позволяет оператору (администратору) следить за состоянием сети, состоянием АБ и всей работы ИБП. В данном случае используется стандартный интерфейс связи МК и ПК – RS-232. Это позволяет осуществлять дистанционный мониторинг ИБП и безопасное завершение работы ПК при аварии или долговременном отсутствии напряжения в сети (при условии настройки программного обеспечения ПК).

Входное напряжение 220В, 50Гц поступает через устройство коммутации и сетевой фильтр на зарядное устройство и байпас.

Сетевой фильтр предназначен для предотвращения попадания помех в сеть, которые возникают при работе ИБП.

Зарядное устройство обеспечивает зарядку АБ при наличии напряжения в сети, обеспечивая тем самым постоянную готовность к работе ИБП в автономном режиме. Устройство преобразования напряжения сети в стабилизированное постоянное напряжение. Величина напряжения заряда постоянно контролируется МК. Это позволит правильно эксплуатировать батареи.

Достаточно большая выходная мощность зарядного устройства дает “плюс” при работе ИБП со значительно заниженным входным напряжением устройства (диапазон от 90 до 185 Вольт). При таком входном напряжении часть выходной мощности источника обеспечивается работой зарядного устройства, что существенно продлевает работу нагрузки в случаях неисправности электросети.

Преобразователь переменного напряжения в постоянное выполняет роль преобразователя переменного напряжения 220В в постоянное 200В. Данное устройство построено по схеме импульсного преобразователя с ШИМ. Напряжение на его выходе постоянно, но не стабилизировано, то есть зависит от изменения входного напряжения. Для стабилизации используется стабилизатор постоянного напряжения. Стабилизатор построен по схеме однотактного импульсного повышающего стабилизатора. Напряжение на аккумуляторе изменяется в пределах 10,5...13,8 В, а выходное ИБП должно оставаться стабильным.

Преобразователь постоянного напряжения в переменное осуществляет формирование выходного стабилизированного напряжения 220В, 50Гц. Управление и синхронизацию данного устройства с сетью осуществляет устройство управления ИБП.

Выходной фильтр служит фильтром электромагнитных помех и предотвращению их попадания в нагрузку.

Алгоритм работы ИБП приведен в графической части проекта.

1.4. Описание схемы электрической принципиальной.

Схема электрическая принципиальная представленная в графической части дипломного проекта на листе РТ01.430127.001Э3.

Соответственно структурной схеме, источник бесперебойного питания состоит из нескольких функциональных узлов. Рассмотрим каждый из них отдельно.

1.4.1. Зарядное устройство

Зарядное устройство построено по однотактной поворотно-ходовой схеме преобразования энергии.

Управляющей микросхемой являются IMS UC3842 фирмы Fairchild. Функциональная схема IMS UC3842 приведена на рис. 1.4.1. Принцип работы состоит в следующем.

На диодный VD1 подается переменное напряжение сети 220В. После VD1 на сглаживающем конденсаторе имеем постоянное напряжение 306В. Начальный запуск работы IMS VC2 происходит через резистор R41. Дальше при нормальном режиме работы DA1 питается от дополнительной обмотки W3 трансформатора Т2. Напряжение, снятое с W3 выпрямляется диодом VD8 и сглаживается емкостным фильтром, который построен на конденсаторах С24, С25. Величина напряжения питания IMS составляет 12В.

После подачи питания на 8 выводе DA2 устанавливается опорное напряжение 5В. На вход тактового генератора, через интегрирующую цепь R14C11 подается сигнал 5В.

Рис. 1.4.1. Функциональная схема UC3842.

На выводе № 6 DA2 устанавливается высокий потенциал (12В), который через резисторный делитель R27R29 поступает на затвор полевого транзистора VT1. Транзистор VT1 включается, когда потенциал между затвором и истоком составляет более 4В. При включении VT1 через обмотку W2, транзистор VT1 и резистор R30 начинает протекать ток. Резистор R30 является измерительным резистором. С него снимаем сигнал о величине тока, который протекает через транзистор и первичную обмотку трансформатора Т2. Этот сигнал поступает через R28 на вход с DA2. Данный вход является прямым входом внутреннего компаратора по току. На вход 1 DA2 подается сигнал обратной связи по напряжению. Этот сигнал подается на инвертирующий вход от компаратора по току. При достижении порогового уровня на входе компаратора производится сигнал на выключение входного транзистора.

Ток через первичную обмотку Т2 нарастает линейно, но при включении и выключении транзистора возникают скачки


29-04-2015, 03:07