Источник бесперебойного питания ИБП5-48/36-4.2

Лабораторная работа № 3

Источник бесперебойного питания ИБП5-48/36-4.2

 

Цель работы

Изучение функциональной схемы источника бесперебойного питания ИБП5–48/36–4.2 и ознакомление с его конструкцией. Экспериментальное определение основных электрических характеристик при изменении нагрузки и напряжения питающей сети. Изучение приёмов управления работой ИБП5–48/36–4.2 через панель управления и с помощью персонального компьютера.

 

Литература

1 Источник бесперебойного питания ИБП5–48/36–4.2. Паспорт ДЕШК.436747.004-09.03 ПС. Москва 2003. ЗАО «СВЯЗЬИНЖИНИРИНГ».

2 Воробьев А.Ю. Электроснабжение компьютерных и телекоммуникационных систем. – М.: Эко–Трендз, 2003. – 280 с.

3 Березин О.К., Костиков В.Г., Шахнов В.А. и др. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. – М.: «Три Л», 2000. – 400 с.

4 Прянишников В.А. Электроника: полный курс лекций. - СПб.: Корона принт, 2004. – 416 с.

5 Семенов Б.Ю. Силовая электроника для любителей и профессионалов. – М.: СОЛОН – Р, 2001. – 327 с.

 

Пояснения к работе

3.3.1 Общая характеристика источника бесперебойного питания. Источник бесперебойного питания ИБП5–48/36–4.2 предназначен для электропитания напряжением постоянного тока оборудования предприятий электросвязи. Первичным источником для него является однофазная двухпроводная сеть промышленной частоты. Источник может работать как с аккумуляторной батареей, так и без неё. В состав источника входят два основных узла: силовой узел, в котором могут размещаться до четырёх выпрямительных модулей и узел управления, защиты и контроля. Источник конструктивно представляет собой единый блок, который имеет два варианта исполнения: блок с кожухом для размещения в телекоммуникационном шкафу стандарта 19 дюймов и блок в корпусе специальной конструкции шириной 600 мм для установки на аккумуляторном стеллаже.

Охлаждение блока – принудительное воздушное от вентиляторов, установленных в выпрямительных модулях.

Структура шифра источников бесперебойного питания приведена на рисунке 3.1.

 

Рисунок 3.1 – Структура шифра источника бесперебойного питания

 

Технические характеристики источника ИБП5-48/36-4.2. Источник обеспечивает заданные электрические параметры на выходе при следующих условиях окружающей среды: температура окружающего воздуха от +5°С до +40°С; влажность воздуха до 80% при +25°С; пониженное атмосферное давление до 60 кПа. ИБП5–48/36–4.2 имеет следующие выходные параметры:

- Выходное напряжение

при работе от промышленной сети, В минус 54 ± 1%

при работе от аккумуляторной батареи, В минус 48 ± 6

- Суммарный выходной ток четырёх

выпрямительных модулей, А 36

- Максимальный выходной ток четырёх выпрямительных

модулей при напряжении минус 48 В, А 42

- Диапазон регулирования выходного напряжения, В 46,5 … 57

- Коэффициент полезного действия не менее 0,9

- Коэффициент мощности не ниже 0,7.

Источник обеспечивает:

1 Напряжение подзаряда аккумуляторной батареи (АБ) с точностью ±1% от установленного значения при изменении напряжения сети в пределах от 165 до 264 В и тока нагрузки от 0 до 100%.

2 Температурную компенсацию напряжения заряда АБ в зависимости от температуры окружающей среды. Крутизна температурной характеристики составляет 3…4,5 мВ/°С (для двухвольтового элемента).

3 Бесперебойный автоматический переход на питание от АБ при пропадании сети и обратный переход при её восстановлении.

4 Автоматическое отключение аккумуляторной батареи от нагрузки при глубоком разряде (напряжение, при котором происходит защитное отключение, составляет Umin = минус 42 ± 1 В). Подключение АБ производится автоматически при появлении сетевого питания на входе источника (если сетевое питание отсутствует и работа ведётся от АБ, то требуется ручное включение, с помощью кнопки на плате сопряжения в узле управления).

5 Световую сигнализацию оперативного и аварийного состояния. Аварийные сигналы высвечиваются красным цветом, сигнал “ВНИМАНИЕ” – желтым, оперативного состояния – зеленым. Значения пороговых напряжений, при которых происходят срабатывания схем защиты и сигнализации: Uвним = – 48 ± 1 В (внимание!); Umin = – 42 ± 1 В; Umax = – 57 ± 1 В.

6 Возможность связи узла управления, защиты и контроля (блок цифровой обработки – БЦО) с компьютером по интерфейсу RS–232C. Схема соединительного кабеля приведена в приложении Е.

7 Выдачу во внешнюю цепь следующих аварийных сигналов:

–авария модуля (или модулей) выпрямителя (АИП);

–авария сетевого питания (АСП);

–разряд аккумуляторной батареи (Разряд аккум.);

–авария БЦО (Авария БЦО).

Основные электрические характеристики выпрямительного модуля БП–500/48 приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Основные электрические параметры БП–500/48

Параметры	Значения
Входные	Напряжение сети, В	220 В +20%, –25%
Частота сети, Гц	50 ± 2,5
Выходные	Номинальное напряжение, В
Пределы регулировки напряжения, %	± 1
Номинальный ток нагрузки, А
Порог срабатывание защиты от перенапряжения, В

 

Источник ИБП5–48/36–4.2 представляет собой систему бесперебойного питания на стороне постоянного тока с АБ, подключенной во всех режимах к нагрузке. Это, так называемая, буферная схема (рисунок 3.2).

Силовой узел содержит выпрямительные модули типа БП1…БП4, коммутирующую и защитную аппаратуру, выполняющую следующие функции:

- Автоматический выключатель QF1 совместно с варисторами RU1, RU2 защищает цепи электропитания переменного тока от перегрузок и коротких замыканий.

- Автоматический выключатель QF6 обеспечивает защиту аккумуляторной батареи от перегрузок и короткого замыкания.

- Автоматические выключатели QF2…QF5 обеспечивают защиту выходных цепей источника от перегрузок.

- Микропроцессорный блок цифровой обработки выполняет следующие функции:

- непрерывное измерение и отображение на дисплее основных параметров устройства – суммарного выходного тока Iн, выходного напряжения Uн и тока разряда – заряда аккумуляторной батареи Iа;

Рисунок 3.2 – Структурная схема источника ИБП5–48/36–4.2

 

- контроль технического состояния и его индикацию на передней панели узла управления;

- контроль ёмкости АБ;

- измерение и запоминание в энергозависимой памяти БЦО значений тока разряда батареи Iа в процессе тестирования, напряжения на нагрузке Uн и израсходованной ёмкости;

- коррекцию напряжения заряда АБ в зависимости от температуры окружающей среды;

- ограничение тока заряда АБ;

- отключение АБ при глубоком разряде;

- выдачу внешних сигналов неисправности через беспотенциальные контакты реле;

- ручную (с панели узла управления) корректировку текущего времени, даты и постоянных параметров, определяющих режимы работы источника и тестирования АБ;

- дистанционную (по интерфейсу RS–232C) корректировку текущего времени и даты.

 

Порядок выполнения работы

Структурная схема лабораторной установки приведена на рисунке 3.15.

 

 

Рисунок 3.15 – Структурная схема установки

 

Установка содержит такие узлы:

- источник бесперебойного электропитания ИБП5–48/36–4.2, состоящий из двух выпрямительных модулей БП1, БП2, аккумуляторной батареи – АБ (TEBUS – 130 – 12 В, 4шт. для 48 В или другие АБ) и блока цифровой обработки (БЦО);

- автоматический выключатель "СЕТЬ–220 В" (QF1); автоматический выключатель QF6 "АККУМ."; выключатели нагрузки (предохранители) ”НАГРУЗКА” (QF2…QF5);

- персональный компьютер (ПК);

- блок регулировки сети, состоящий из лабораторного автотрансформатора (ЛАТР) и измерительных приборов переменного тока;

- блок нагрузки, состоящий из набора нагрузочных резисторов Rнi (10 Ом и 20 Ом) и измерительных приборов постоянного тока.

3.4.1 Включение установки. Включение установки выполняется в следующей последовательности:

а) включите щиток;

б) с помощью ЛАТРа на передней панели блока регулировки сети установите напряжение U_вх = 200 В;

в) в блоке нагрузок тумблером включите резистор 20 Ом (тумблер 1 переведите в левое положение);

г) включите сеть тумблером "СЕТЬ–220 В" на БЦО (QF1 переведите в положение 1 «ВКЛ», рисунок 3.9);

д) включите АБ тумблером “АККУМ.” (QF6 переведите в положение 1 «ВКЛ»);

е) подключите нагрузку тумблерами “НАГРУЗКА” (QF3 переведите в положение 1 «ВКЛ» на БЦО);

ж) включите ПК. На «рабочем столе» найдите ярлык и двойным щелчком запустите программу «Тест ИБП v1.1.». На экране появится специальный интерфейс, предназначенный для управления источником (рисунок 3.10).Щелкните мышкой символическую кнопку меню ” Тек. Значения”. На экране ПК появятся значения напряжения нагрузки Uh, суммарного тока нагрузки Iн и тока аккумуляторной батареи Ia (рисунок 3.13).

з) убедитесь в том, что показания стрелочных приборов в блоке нагрузки совпадают с показаниями цифрового дисплея в БЦО.

 

3.4.2 Снятие внешней характеристики. Отключите АБ (тумблер “АККУМ.” переведите в нижнее положение – ВЫКЛ). Снимите зависимость U _Н = f (I _Н) при U _вх = 230 В, 200 В и 170 В. В блоке нагрузки источника изменение тока в пределах от 0 до 18 А проводится последовательным переключением тумблеров 1…5 в верхнее положение (замкнуто). Для измерения параметров Uh, Iн войдите в режим меню "Тек. значения". На экран ПК выводятся значения напряжения нагрузки, суммарного тока нагрузки и тока аккумуляторной батареи Ia (рисунок 3.13).

Найдите КПД, учитывая, что P ₀ = U _Н ∙ I _Н; P _вх = U _вх ∙ I _вх ∙ Cos φ;

Для удобства работы составьте и заполните таблицу 3.3, в которой хх–холостой ход (I _Н =0), а цифры 1…5 различные, нарастающие токи нагрузки. Ток нагрузки I_Н изменяйте посредством последовательного замыкания тумблеров нагрузки 1, 2 и т.д. (сохраняя включенное положение предыдущих тумблеров).

 

Таблица 3.3 – Снятие внешней характеристики

Характе-ристика

Параметры

Uвх = 230 В

Uвх = 200 В

Uвх = 170 В

хх

хх

хх

U Н, В

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

I Н, А

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

I вх, А

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

Cos φ

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

х

P 0, Вт

р

а

сч

ё

т

р

а

с

ч

ё

т

р

а

с

ч

ё

т

P вх, Вт

р

а

сч

ё

т

р

а

с

ч

ё

т

р

а

с

ч

ё

т

η

р

а

сч

ё

т

р

а

с

ч

ё

т

р

а

с

ч

ё

т

Постройте графики.

3.4.3 Снятие зависимости I_вх = f (U_вх) и кпд при постоянной нагрузке (АБ отключена). Для этого установите ток нагрузки I _Н ≈ 10 A (тумблеры нагрузки 1,2,3 в блоке нагрузки в положение вкл.), запишите U_Н, I_Н, Cos и представьте результаты в следующем виде:

 

Таблица 3.4 – Снятие зависимости I_ВХ = f (U_ВХ)

U вх, В
I вх, А	х	х	х	х	х
Р вх, Вт	Ра	с	ч	ё	т
η	Ра	с	ч	ё	т

 

Постройте графики.

 

3.4.4 Проверка состояния аккумуляторной батареи. Включите автоматический выключатель QF6 "АККУМ.". Установите дату и текущее время, для этого войдите в режим корректировки даты и времени ("Чтение времени" на ПК).

Откорректируйте значения времени и даты и нажмите кнопку "Запись времени" (рисунок 3.11). Для установки даты и времени с панели БЦО войдите в меню пользователя (при пользовании меню БЦО кнопки необходимо удерживать в течении 2…3 сек) и установите необходимые значения даты и времени, кроме секунд. По окончании корректировки нажмите кнопку Ввод «». Экран дисплея примет дежурный вид. Убедитесь в правильности введенных значений, нажав кнопку «5». При необходимости повторите данную операцию.

Включите режим тестирования АБ путем выбора пункта "Вкл. теста" из меню с панели БЦО. Для этого войдите в меню пользователя одновременным нажатием кнопок «3» и «4» и удерживая их в течение 2…3 сек. Выберите данный пункт с помощью кнопок «3» или «4»), нажмите кнопку Ввод «». Убедитесь в старте режима тестирования (загорание светодиода "ТЕСТ АККУМ." на передней панели БЦО). Окончание процесса проверки АБ наступает после гашения светодиода "ТЕСТ АККУМ.".

Если ёмкость аккумуляторной батареи ниже нормы, загорается желтый светодиод "ВНИМАНИЕ". При длительности тестирования более 5 минут или необходимости досрочно прекратить процедуру оценки емкости батареи следует выбрать в подменю пункт "Откл. теста" и нажать кнопку Ввод «».

Для считывания информации с источника в режиме тестирования батареи нажмите на ПК символическую кнопку "График". На экране появится график изменения напряжения, тока нагрузки в зависимости от времени (минуты) и израсходованная емкость АБ (рисунок 3.14). Перепишите данные и график в отчёт.

3.4.5 Просмотр журнала. Войдите в режим просмотра журнала путем выбора на ПК пункта меню “Журнал”. Выпишите две последние записи с экрана ПК и с цифрового дисплея БЦО. Выход из режима "Журнал" производится путем нажатия кнопки Ввод.

3.4.6 Проверка реле сигнализации. АБ подключена. Установите ток нагрузки около 2А (тумблер нагрузки 1 в положение вкл). Запишите токи нагрузки и АБ. Установите с помощью ЛАТРа на передней панели блока регулировки сети напряжение U_вх = 130 В и убедитесь в загорании красного светодиода на панели БЦО. Зафиксируйте пороговое напряжение включения источника при плавном увеличении напряжения на входе ИБП. Запишите данные в отчет.

3.4.7 Выключение установки. Выключение установки проводится в следующей последовательности:

- выключите ПК;

- отключите нагрузку (тумблеры QF2…QF5 на БЦО переведите в нижнее положение);

- отключите АБ (тумблер “АККУМ.” – QF6 переведите в нижнее положение);

- отключите сеть (тумблер "СЕТЬ–220 В" – QF1 переведите в нижнее положение);

- выключите щиток ИБП5.

 

3.4.8 Результаты работы. Подготовьте отчет о лабораторной работе.

3.5 Контрольные вопросы

 

1 Начертите структурную схему ИБП5 и объясните назначение её узлов.

2 Поясните назначение помехоподавляющих фильтров в схеме ИБП5, нарисуйте принципиальные схемы фильтров.

3 Расскажите принцип действия транзисторного инвертора напряжения. Укажите цепи протекания токов.

4 Поясните назначение основных узлов по функциональной схеме контроллера UC3846N.

5 Объясните функции защиты в схеме управления инвертором напряжения.

6 Нарисуйте схему лабораторной установки и поясните назначение её узлов.

7 Перечислите особенности технической эксплуатации закрытых и герметичных АБ и как они реализуются в источнике ИБП5.

 

Лабораторная работа № 4

Цель работы

Изучение принципиальной схемы выпрямительного модуля SMPS – 1000 и ознакомление с конструкцией системы бесперебойного электропитания. Экспериментальное определение основных электрических характеристик при изменении сопротивления нагрузки и напряжения питающей сети. Изучение команд управления работой установок MPSU (PRS) через панель управления и с помощью персонального компьютера.

 

Литература

1 MPSU 4000. Руководство пользователя. Энергетика. Телекоммуникация. «Oldham».

2 PRS 700. Руководство пользователя. Энергетика. Телекоммуникация. «Oldham».

3 Модуль управления и сигнализации AL 175 R. Руководство пользователя. Энергетика. Телекоммуникация. «Oldham».

4 Воробьев А.Ю.. Электроснабжение компьютерных и телекоммуникационных систем. – М.: Эко – Трендз, 2003. – 280 с.

5 Березин О.К. и др. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. – М.: «Три Л», 2000. – 400 с.

6 Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций. – СПб.: Корона принт, 2004. – 416 с.

7 Семенов Б.Ю. Силовая электроника для любителей и профессионалов. – М.: СОЛОН – Р, 2001. – 327 с.

 

Пояснения к работе

Общая характеристика системы. Системы электропитания MPSU и PRS – это модульные системы, предназначенные для использования в различных сферах, в том числе и в области телекоммуникаций, где требуются бесперебойное электропитание. Эти системы построены по буферной схеме, в которой аккумуляторная батарея (АБ) постоянно подключена к нагрузке (рисунок 4.1).

Преимуществом буферных систем электропитания является использование сглаживающих свойств АБ, что значительно уменьшает габаритные размеры фильтров в выпрямительных модулях. Недостатком буферных систем является негативное воздействие импульсной и нелинейной нагрузок на АБ, что

Рисунок 4.1 – Структурная схема систем электропитания MPSU и PRS

 

приводит к снижению срока службы герметичных аккумуляторных батарей. Системы MPSU и PRS состоят из выпрямительных модулей SMPS (Switch Mode Power Supply), которые работают параллельно, узла коммутации и блока управления. Выпрямительные модули могут иметь выходное напряжение 60, 48 или 24 вольта. В таблице 4.1 приведены основные электрические параметры выпрямительного модуля SMPS – 1000.

 

Таблица 4.1 – Основные электрические параметры SMPS–1000

Параметры	Номин. напряжение, В
Входные	Напряжение, В	230–35%/+20% (1 или 3 фазы) 380 или 400 (3 фазы с нейтралью)
Частота, Гц	45…65
Ток, А	5,0	5,5	5,5
Выходные	Пределы регулировки напряжения, В	20…30	40…58	45…75
Напряжение подзаряда АБ (при 200С), В	26,8	53,5	68,4
Напряжение ускоренного заряда АБ, В	28,2	56,4	70,5
Максимальный ток нагрузки, А	40,0	22,0	20,0
Номинальный ток нагрузки, А	35,5	18,2	14,6
Сигнализация	Срабатывание LVD, В	≥ 21,6	≥ 43,2	≥ 54
Сигнализация повышенного напряжения АБ, В	28,8	57,6
Сигнализация пониженного напряжения АБ, В	25,2	50,4
Высокая температура (уровень1/уровень2), 0 С	30/40	30/40	30/40

Дополнительные электрические параметры:

 

Пульсации выходного напряжения < 100 мВ от пика до пика

Напряжение пульсаций < 2 мВ псофометрических

Стабильность выходного напряжения: статическая ± 0,5 %; динамическая ± 1 %

Коэффициент полезного действия > 0,91

Диапазон рабочих температур – 5…+ 40 °С

Охлаждение естественное

Защита на входе предохранитель, мягкий пуск

Защита на выходе ограничение выходной мощности.

 

Модульная конструкция позволяет формировать разнообразные по мощности и напряжению системы электропитания. В таблице 4.2 приведены технические характеристики различных конфигураций систем.

Таблица 4.2 – Технические характеристики конфигурации систем MPSU и PRS

 

Модель	Количество параллельно работающих модулей в одном выпрямителе	Выходное напряжение, В	Максимальный выходной ток, А (ток одного модуля)
MPSU 4000	1…4		160(40)
	88(22)
	80(20)
PRS I	1…7		280(40)
	336(22)
	140(20)
PRS II	1…14		560(40)
	308(22)
	280(20)
PRS III	1…21		840(40)
	462(22)
	420(20)
2,3,4,8,9,12		264(22)
2,3,4,6,8,9		180(20)
2,3,4,9,12,18,24		528(22)
3,4,7,9		180(20)
3,6,9,12		264(22)
3,6,9,12		240(20)
4,6		132(22)
4,6		360(20)

Структурная схема выпрямительного модуля SMPS. Структурная схема модуля SMPS–1000 приведена на рисунке 4.2.

 

Рисунок 4.2 – Структурная схема модуля SMPS

 

Выпрямительный модуль построен по схеме с бестрансформаторным входом и регулированием напряжения методом широтно – импульсной модуляции (ШИМ) с активной фильтрацией тока сети в звене корректора коэффициента мощности (ККМ). Силовая цепь состоит из следующих функциональных узлов: входного выпрямителя, собранного по однофазной мостовой схеме с емкостным сглаживающим фильтром на выходе, ККМ, мостового инвертора напряжения, выходного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой и LC – сглаживающего фильтра. Для исключения воздействия входной импульсной помехи на источник и самого источника на сеть и потребителя на входе и выходе установлены фильтры помех.

Драйверы корректора и преобразователя формируют траекторию движения рабочей точки в области безопасной работы силовых ключей и обеспечивают необходимую мощность сигнала управления для гарантированного включения транзисторов. Коммутация ключей инвертора напряжения осуществляется при нулевом напряжении на коллекторе (режим “мягкой коммутации”), что повышает надежность и эффективность преобразования электрической энергии.

 

Система управления обеспечивает:

- стабилизацию и регулировку выходного напряжения методом широтно–импульсной модуляции;

- активную фильтрацию тока, потребляемого от сети;

- ограничение тока нагрузки;

- задержку включения и плавный запуск;

- выключение при уходе напряжения сети переменного тока за допустимые пределы;

- защиту от повышения выходного напряжения;

- защиту при коротком замыкании на выходе;

- световую и дистанционную сигнализацию;

- возможность изменения выходного напряжения при подаче внешних сигналов на входной разъем через селектор управления;

- контроль исправности компонентов системы;

- температурную компенсацию напряжения подзаряда батареи;

- контроль состояния батареи;

- ограничение тока заряда батареи;

- передачу сигналов об аварии с помощью реле или путем автодозвона до удаленного оператора;

- равномерное распределение тока между параллельно работающими модулями SMPS;

- отображение измеряемых параметров на жидкокристаллическом дисплее и мониторе компьютера.

 

Подключаемый к системе компьютер упрощает настройку, контроль и предоставляет возможность удаленного доступа в систему электропитания.

 

Функциональная схема выпрямительного модуля SMPS. С хема модуля состоит из двух частей, представленных на рисунках 4.3 и 4.4. Схема рисунка 4.3 включает следующие функциональные узлы: входной помехоподавляющий фильтр (C1, L1, С2, С3, С5, L2, С8, С9, С11), входной низкочастотный выпрямитель (VD1…VD4) с блокировочным конденсатором (С15) и ККМ (L3, VT1, VT2, VD6, C21) с управляющей схемой (DA1). ДН1, ДН2, ДН3 – резистивные делители напряжения. ДТ – датчик тока. С выхода ККМ постоянное напряжение + 400 В подается на вход конвертора напряжения (рисунок 4.4). Схема рисунка 4.4 состоит из следующих узлов: мостового транзисторного резонансного инвертора напряжения VT1…VT4, высокочастотного трансформатора T5, двухполупериодного выпрямителя со средней точкой VD3, VD4, сглаживающего фильтра L2, С10 и выходного фильтра помех (C12, С13, L3, С15, С17, С18).

Помехоподавляющие фильтры установлены на входе и выходе SMPS для снижения уровня обратной помехи (наводимой в первичную сеть питания) и помех, наводимых в цепь нагрузки. При коммутационных воздействиях в системе MPSU (например, подключение АБ) или внешних воздействиях типа грозового разряда, техногенной аварии или ядерного взрыва создается помеха со стороны питающей сети на выпрямительный модуль. Кроме того, сам

Рисунок 4.3 – Функциональная схема ККМ

 

модуль, имеющий в составе полупроводниковые приборы, которые переключают токи и напряжения с большими скоростями создает помехи в сеть. Помехи влияют не только на работу аппаратуры связи, но и определяют работоспособность самих выпрямительных модулей, так как их схемы управления содержат аналоговые и импульсные преобразователи информации, конструктивно расположенные в непосредственной близости от силовых транзисторов и выпрямительных диодов.

Для повышения степени фильтрации помех, распространяемых по проводам все цепи питания соединены с корпусом прибора (землей) через проходные конденсаторы C2, С5, C8, C11 на рисунке 4.3 и проходные конденсаторы C12, С13, C17, C18 на рисунке 4.4. Дроссели L1, L2 (рисунок 4.3) и L3 (рисунок 4.4) благодаря встречному включению обмоток и наличию конденсаторов C3, С9 (рисунок 4.3) и C15 (рисунок 4.4) снижают дифференциальную составляющую помех. Проходные конденсаторы предназначены для подавления синфазной составляющей помех. Подключение между проводами конденсаторов C3, С9 (рисунок 4.3) и C10, С15 (рисунок 4.4) непосредственно около проходных конденсаторов позволяет подавлять обе составляющие помех.

Рисунок 4.4 – Функциональная схема конвертора напряжения

 

ККМ(“буст” – конвертор) предназначен для получения коэффициента мощности, близкого к единице, т.е. он формирует синусоидальную форму тока, потребляемого от сети. ККМ является промежуточным звеном, включенным между выходом низкочастотного (сетевого) выпрямителя и входом конвертора напряжения. Он относится к классу импульсных стабилизаторов повышающего типа, работающий в режиме прерывистого тока дросселя (индуктивность – L3).

Схема ККМ (рисунок 4.3) состоит из индуктивности L3, параллельно включенных полевых транзисторов VT1, VT2 типа IRFP–450А (приложение Н), работающих в ключевом режиме, отсекающего диода VD6 типа HFA15PB–60 и накопительного конденсатора C21. При поступлении управляющего импульса с вывода 10 микросхемы DA1 на затворы VT1, VT2 начинает протекать ток по цепи: открытые диоды входного выпрямителя (VD1…VD4), дроссель L3, трансформатор тока TT, сток – исток транзисторов VT1, VT2. Временные диаграммы, поясняющие работы ККМ приведены на рисунке 4.5.

Рисунок 4.5 – Временные диаграммы работы корректора коэффициента мощности

 

Контроллером ККМ является микросхема DA1 типа UC3855. Структурная схема ИМС UC3855 приведена на рисунке 4.6, а ее характеристики в приложении О.

Для управления силовыми транзисторами VT1, VT2 на 9 вывод подается напряжение питания V_СС от отдельного источника. Когда напряжение питания достигает 15,5 В (модификация А), либо 10,5 В (модификация В), происходит запуск ККМ. Для ускорения процесса запуска и защиты силовых ключей введен корректирующий конденсатор С13 (вывод 17, “плавный пуск”).

На интервале открытого состояния ключа (VT1, VT2) ток ключа (I_КЛ) и дросселя нарастает по линейному закону до достижения значения, определяемого сигналом , поступающем с выхода умножителя. При этом:

– сигнал А поступает с выхода встроенного усилителя обратной связи. Отрицательная обратная связь по напряжению введена для коррекции сигналов управления силовыми ключами с учетом режима стабилизации напряжения. Напряжение с датчика выходного напряжения ДН3 поступает на инверсный вход усилителя (вывод 16 UC3855), где происходит сравнение с эталонным напряжением 3В;

– сигнал В определяется среднеквадратичным значением напряжения, поступающего на вывод 6 от сетевого выпрямителя (U _d) через делитель напряжения ДН1 и фильтр С4. Этот сигнал определяет максимальный уровень тока ключа I _КЛ для выполнения основной функции – активной фильтрации тока сети;

– сигнал С пропорционален входному переменному току. Переменная составляющая тока первичной сети, снимаемая с ТТ изменяет уровень напряжения на выходе выпрямительного блока и на входе OION (вывод 4).

Рисунок 4.6 – Структурная схема ИМС типа UC3855

 

Следовательно, меняется напряжение на резисторе R₇ , подсоединенном между выводом 5 и инверсным входом усилителя обратной связи по току (вывод 20). При этом, на инверсном входе усилителя обратной связи по току формируется сигнал обратной связи, пропорциональный среднему значению тока, на прямой вход усилителя приходит сигнал D. Разностный сигнал поступает на инверсный вход ШИМ – компаратора, на прямой вход которого поступает напряжения со встроенного генератора. Генератор пилообразного напряжения требует для установки частоты только одного внешнего компонента С_т. Частота генератора определяется по формуле: . Для задания частоты 500 кГц к выводу 14 подключен конденсатор С10. Логические элементы ИЛИ–НЕ на выходе (вывод 10) возбуждают выходные транзисторы VT1 и VT2 только тогда, когда линия тактирования встроенного RS – триггера находится в НИЗКОМ логическом состоянии. Это происходит, когда амплитуда пилообразного напряжения выше амплитуды управляющих сигналов, т.е. повышение амплитуды управляющих сигналов вызывает соответствующее линейное уменьшение ширины выходных импульсов. В ККМ используется два способа модуляции: широтно– импульсный (ШИМ) для выполнения стабилизирующей функции посредством усилителя обратной связи по напряжению и частотно– импульсный (ЧИМ) для фильтрации тока сети с помощью усилителя обратной связи по току.

После выключения транзисторов ток в индуктивности L3 начинает спадать по линейному закону, заряжая через диод VD6 конденсатор фильтра C21. Контроль входного тока производится аналогично открытому состоянию силового ключа, т.е с ТТ (вывод 4) и ДТ (вывод 19). Сигнал, поступающий на вывод 4 изменяет состояние встроенного диода и, соответственно, уровень напряжения на конденсаторе C16, подключенному ко входу 3. Разряд конденсатора C16 протекает через синтезатор тока и резистор R₃, подключенный к выводу 2. На выходе буферного усилителя имеется источник тока, направление которого определяется уровнем напряжения 1В для обеспечения закрытого состояния силовых ключей. С вывода 19 поступает сигнал на умножитель, пропорциональный входному току. Установка источника напряжения с номинальным уровнем 650 мВ позволяет контролировать ток нулевого значения. Ток, равный одной четвертой тока на выводе IAC формирует один из входов индуктора синтезатора тока. При нулевом значении тока силовые транзисторы вновь включаются. Далее процесс повторяется с достаточно высокой частотой (500 кГц). Благодаря высокой частоте преобразования посредством активных элементов усредненный ток I _СР в индуктивности L₃ оказывается синусоидальным по форме и совпадающим по фазе с выпрямленным напряжением.

Благодаря режиму переключения транзисторов при нуле напряжения на стоке обеспечивается формирование траектории переключения транзисторов с ограничением амплитуд выбросов при малых коммутационных потерях. На выводе 13 отслеживается снижение напряжения стока транзисторов до нуля. Между входом ZVS (вывод 13) и стоком подключается блокирующий диод VD5, чтобы напрямую снимать напряжение стока ключей VT1, VT2. При нулевом уровне на стоке, уровень на ZVS – 0.7 В, что ниже порога компаратора "Узла переключения транзистора при нулевом напряжении", и равного 2,5 В.

Логические блоки, входящие в схему формирования сигналов управления, вырабатывают сигналы запрета при срабатывании одного из узлов. Узел защиты от перенапряжения блокирует работу ККМ при повышении напряжения, снимаемого с ДН2 (вывод 7). При этом блокируется ШИМ – компаратор и вывод 10, с которого поступают импульсы управления ключами. Узел защиты от понижения напряжения питания обеспечивает отключение ККМ при низком входном напряжении (ниже 1,8 В), поступающем на вывод 8 с делителя ДН2. Керамический конденсатор С7 повышает устойчивость ИМС.

С вывода 10 ИМС UC3855 сигналы управления поступают на вход драйвера, который обеспечивает необходимые напряжения и ток для гарантированного включения транзисторов VT1, VT2. Драйвер ККМ выполнен на ИМС TC4427EPA (приложение П). Он преобразует входные логические уровни TTL и CMOS в выходные сигналы достаточные для управления силовым ключом, где требуется малое выходное сопротивление, большой пиковый ток и высокое быстродействие.

Функциональная схема драйвера TC4427EPA представлена на рисунке 4.7.

Рисунок 4.7 – Функциональная схема драйвера TC4427EPA

 

Двухтактный драйвер состоит из двух независимых каналов. Входным сигналом служит сигнал логического уровня напряжением 1,5 В постоянного тока (500мкА… 9мА). Драйвер предназначен для согласования контролера UC3855 и силовых ключей ККМ VT1, VT2. Со стороны управляющего входа (затвора) силовые ключи представляют собой емкостной элемент, при параллельном включении транзисторов входная емкость увеличивается и может составлять сотни нФ. Для нормального включения и перевода в состояние насыщения силовых транзисторов необходим заряд входной емкости до (15..20) В, но не более, чтобы не вывести приборы из строя. Перевод в закрытое состояние может осуществляться как подачей нулевого напряжения, так и отрицательного, но не более 20 В (обычно 5…6 В). Поэтому, выходные каскады драйвера выполнены на КМОП – инверторе. Когда на входе КМОП действует сигнал низкого уровня, затвор транзистора n – типа соединен с истоком при этом канал отсутствует и транзистор заперт. Затвор транзистора p- типа имеет по отношению к своему истоку отрицательный потенциал и транзистор открыт. На выводе 7 (и выводе 5) существует напряжение высокого уровня. При высоком входном напряжении на затворе выходного каскада – наоборот.

Для создания дополнительного смещающего напряжения в цепи управления затвором входных транзисторов драйвера используется схема накачки заряда (создается входной емкостью МОП – транзистора и затворным резистором 2кОм). При этом управляющий логический импульс поступает непосредственно (без использования гальванического трансформатора) от системы управления в цепи затворов. В отличие от схем с тр