Пролог
Хотелось бы поприветствовать всех кто увлекается и занимается электроникой! Данная серия публикаций будет посвящена полному циклу проектирования мощного источника бесперебойного питания мощность 3,2 кВт и самое главное — с чистым синусом на выходе.
Немного о себе расскажу — работаю инженером-электронщиком на предприятии, занимающимся производством станков и линий с ЧПУ, а так же мощных импульсных устройств: ИБП, стабилизаторы напряжения, инверторы. Вместе с предприятием прошел путь от проектирования систем от 1 кВт и до 1135 кВт.
Мои публикации будут носить больше учебный характер с попытками донести до интересующихся основы силовых расчетов, трассировки плат и ВЧ цепей, программирование микроконтроллеров STM32, а так же ПЛИС от Altera. И конечно еще множество сложных, но интересных вещей. Пожалуй, начнем…
А зачем он вдруг нам понадобился этот чистый синус и ИБП вообще?
Данные устройства нужны для создания автономных систем как на производстве, так и в быту. Сам как обитатель частного дома сталкиваюсь с проблемами подачи электроэнергии. Применение ИБП позволяет обеспечить нормальное функционирования основных систем дома, такие как:
— система отопления;
— работа скважины и погружного насоса;
— резервирование домашнего сервера;
— обеспечение бесперебойной работы роутеров;
— банальное обеспечение освещения в доме.
Все, что выше — это проблемы, с которыми можем сталкиваться мы с вами. Они глобальны, но стоит ли вообще производить ИБП? Ведь пару часов без света можно и переждать!
От части это правильно, но я привык жить в цивилизованном мире. Тогда обратимся к производству, зачем там резервирование? Из своего опыта опишу несколько основных проблем:
— необходимость обеспечивать бесперебойную работу конвейерных линий;
— обеспечение автономности дата-центров, серверов компаний и прочих сетей от перебоев питания;
— защита дорогостоящего оборудования от повышенного и пониженного напряжения и коротких замыканий;
Вроде бы все проясняется! Осталось определиться: «а зачем именно чистый синус?»
Данный вопрос имеет место быть, ведь 80% современных устройств имеет встроенный импульсный блок питания, что позволяет питать их постоянным током с напряжением +310В. Осталось понять что же за оставшиеся 20%…
В основном это системы и устройства, где имеются трехфазные двигатели (асинхронные), а так же высокоточное оборудование и прочее. Если подумать, то в эту категорию попадет 90% оборудования на производстве + ко всему еще и такие бытовые устройства, как котельное оборудование, циркуляционные насосы в теплых полах и отопление, насос для скважин.
Получился достаточно серьезный повод заняться проектированием!
Что же вы получите после изучения цикла статей?
Томить не буду, а получите вы следующий девайс:
Рисунок 1 — Вид основной панели ИБП на 3200 Вт
Описание: на выходе вы получите именно такое устройство и никак иначе. Все сделано в ручную и к производству прибегал по минимуму. На нашем оборудование был лишь изготовлен корпус — стандартный под серверную стойку 2U и глубиной 600 мм.
На панели присутствует куллер охлаждения, работающий на всасывание воздуха. Так же им управляет «мозг» на основе STM32F103RBT6 с помощью ШИМ с обратной связью по температуре. То есть значение оборотов зависят от температуры радиаторов силовых ключей и от температуры трансформатора. Измерение температуры реализовано «по старинке» на DS18B20, общающемся по интерфейсу 1-Wire.
Рисунок 2 — Вид рабочей панели с полными параметрами работы устройства
Все данные о работе прибора выводятся на TFT панель 2,4", работающую через интерфейс SPI через встроенный в дисплей контроллер ILI9341. Светодиодная шкала добавлена для более наглядного отображения режимов работа: «красный светодиод горит? Караул!»
Теперь посмотрим несколько с другого ракурса на устройство:
Рисунок 3 — Вид задней панели устройства
Описание: на задней панели все скромно и функционально: разъем для входного кабеля, 4 «розетки» для подключения нагрузки, предохранители на 25А, клемма подключения аккумуляторных батарей с предельным (испытанным мною) током в 110А (производитель заявил о 150А).
Характеристики по техническому заданию
Сначала несколько замечаний к общему функционалу. Первое, как и любой ИБП on-line типа, наше устройство должно выполнять функцию стабилизатора напряжения. Так поступают в топовой компании Schneider Electric и я решил перенять их опыт, чего греха таить. Теперь к характеристикам… Требуется получить:
— мощность номинальная: 3200 Вт
— диапазон входного напряжения: 85 — 265 В (такая цифра заявлена у Шнайдера)
— выходное напряжение: 230 В +- 3% (именно 230, а не 220. Стандарты нынче изменились)
— напряжение на DC шине: 48 В
— номинальный ток по сети 230В: 16 А
— номинальный ток по DC шине: 80 А
— пусковые токи: 650% от номинального
— перегрузочная способность: 150% в течение 30 минут, 200% в течение 12 минут
— время работы от АКБ: батареи внешние и время зависит от количества батарей
— возможность удаленного доступа к устройству
— наработка на отказ, не менее: 120 000 часов
Думаю с требованиями предъявляемыми к устройству все ясно, тогда приступаем к этапу определения концепции проектирования и выбору топологий.
Проектирования структурной схемы устройства
Пожалуй это самый важный этап проектирования. Любая ошибка выльется в огромную потери времени, ресурсов и денег, по этому советую отнестись к этой задаче крайне внимательно и без спешки.
Мысли
1) Необходимо выбрать методы коммутации цепей (переключение). Существует несколько методов/типов и у каждого свои плюсы и минусы. Рассмотрим типичные из них:
а) Механический — это способ коммутации цепей по средствам электромеханических устройств, чаще всего реле. Плюсы: простота. Минусы: низкая надежность, большое время переключения (порядка 0,2 секунды пока реле новое), возможность залипания реле, что вызовет процесс горение дуги между контактами. Думаю понятно почему это не наш метод? Мы же все таки ориентируемся на Шнайдер.
б) Электронный — это способ коммутации по средствам НЕ механических компонентов: диодов, симисторов, полевых транзисторов, тиристоров. Вариантов может быть много, самый адекватный на мой взгляд — диодный вентиль. Плюсы: простота, отсутствие механических подвижных элементов. Минусы: дополнительные потери тепла. В нашем случае при 80А и падение на диодах Шоттки 0.5В нам придется дополнительно рассеивать около 180 Вт, а таких диода минимум два. Потери в виде 10% К.П.Д. считаю кощунством, поэтому метод опять не наш.
в) Полный отказ от коммутации. Собственно, а зачем она нам? Слышал кучу возгласов против, но это обычно возмущаются диванные профессионалы некомпетентные инженеры или любители. Могу смело заявить, что по такой схеме у нас работает проект на одной АЭС, его мощность 750 кВт и там именно такая схема.
В чем собственно сущность — АКБ наши просто висят в буферной схеме на DC шине и постоянно находятся в процессе заряда-разряда. Многих это пугает, но вы попробуйте сами полежать месяц на диване, а потом удивитесь, что вам тяжело подниматься по лестнице. Так и с АКБ — их необходимо «тренировать» и поэтому буферная схема им полезна при условии очень быстрой защиты по току.
Плюсы: дешево, сердито, надежно, отсутствие самого понятия «время переключения» или «время перехода с питания от сети на батареи» и отсутствие дополнительных потерь. Минусы: придется использовать исключительно гелевые аккумуляторы свинцовые аккумуляторы с электролитом в состоянии геля. Это, например, АКБ от фирмы Delta серия GX. Не реклама это, но исторически сложилось, что использую именно их по причине банальной доступности и пригодного качества.
2) Необходимо выбрать схему преобразования: ВЧ vs НЧ
Спорить тут можно бесконечно и каждый гнет свою линию. Многие производственники называют преобразование на частотах 10-150 кГц ненадежным, но это обычно элементарный PR ход с попытками оправдать свою несостоятельность в производстве подобного оборудования. Я думаю если бы технология не была лучшим выбором, то ведущие мировые компании не перешли бы на нее и не занимались бы в течение последних 20 лет ее совершенствованием.
Из бонусов преобразования НЧ на частоте 50 Гц могу отметить простоту производства, дубовость схемы большую толерантность к кривым рукам неквалифицированным пользователям.
Из минусов… их много, но главный — просто огромнейшие габариты! Когда-то пытались по такой схеме сделать 1100 кВт, так вот там одной меди было 1,8 тонны! Думаю можете себе представить все масштабы.
Спор на тему выбора технологии развивать не буду, т.к. даже среди моих коллег он обычно превращался в драку с явным переходом на личности. Поэтому просто выберем технологию преобразования на высокой частоте (10-150 кГц).
Исходя из доводов описанных выше и еще десятка других, которые вылезут в ходе выполнения проекта получим такую схему:
Рисунок 4 — Блок-схема силовой части ИБП двойного преобразования
Немного объясню отображенные этапы:
1) Практически сразу после входа напряжение подается на PFC — он же корректор мощности. Он нужен в первую очередь для снижения потерь, поэтому он просто необходим. В китайских схемах и большинстве отечественных он вообще не предусмотрен, это снижает себестоимость, но качество прибора можно смело «делить на 2».
Подробно что это за параметр и модуль расскажет гугл или я в следующей части статьи. Могу сказать одно — готовьтесь к достаточно серьезному «матану» и вспоминайте неравенства Коши.
2) Далее идет первое преобразование — 85-255В переменного тока в 48 В постоянного тока. Сразу прошу обратить внимание на несколько моментов. Во-первых, диапазон входных напряжений очень широкий, это создаст проблему — если напряжение в 3 раза ниже номинального (85В например), то соответственно ток вырастит в 3 раза, поэтому данную особенность (закон Ома) надо держать в голове. Это вынудит нас дальше при расчетах трансформаторов и силовых IGBT ключей закладывать минимум трехкратный запас по току.
Во-вторых, 48В это примерная величина для понимания. Ибо напряжение на батареи в заряженном состоянии 14,2В, при соединение последовательно 4-х АКБ получим напряжение 56,8 В. Из этого следует, что на самом деле напряжение на DC шине будет около 57В — это сделано для того, чтобы приложенный к АКБ потенциал был выше собственного, тогда возникнет разность потенциалов и будет протекать ток. Ток «побежит» в сторону меньше потенциала, то есть на батареи. Как только потенциал в DC шине меньше чем на батареях (например, пропало напряжение в сети) они начинают отдавать энергию (это отсылка к методу коммутации и почему нету процесса переключения).
3) АКБ сидят на DC шине в буферной зоне. Почему именно 48В и зачем объединять батареи? Все просто! Ток при питании от 48 В — около 80 А, если запитывать от 12 В, то ток будет более 300А! Огромная величина — огромные потери. Да и батареи, даже гелевые, спасибо за такой режим работы не скажут и благополучно умрут через год, вместо 10 лет на которые они способны.
4) Еще один DC-DC преобразователь 48 -> 380 В. Принцип работы и схемотехника будут в другой части статьи, пока лишь объясню почему 380В, а не 310, которые получаются после выпрямления сети. 380 В необходимы нам, чтобы спокойно и без потерь нарезать синусоидальный сигнал отличной формы. Когда начнем разбирать данный процесс, поймете зачем такой запас.
5) LC-фильтр/контур или по-научному ФНЧ 4-го порядка. Необходим чтобы после нарезки синуса с помощью ШИМ отфильтровать все лишние гармоники, помехи, шумы и прочий мусор и получить на выходе наш заветный чистенький сигнал. Он рассчитан на 1 кГц, что при частоте модуляции в 75,8 кГц позволяет получить пульсации не более +- 3 В. Это попадает в наши требования по ТЗ и поэтому дополнительно увеличивать порядок фильтра, а следовательно его габариты, попросту не вижу.
Осталось упомянуть еще несколько модулей, которые я не изобразил на блок-схеме. Почему? Да попросту они не влияют на принципиальное понимание работы и структуры данного устройства, а некоторые являются отдельной «кастой». Что я забыл:
— модуль управления, по сути «мозги» всех измерений и индикация на STM32F100RBT6
— модуль формирования чистого синуса, это отдельная плата, но входит она в большой блок DC-AC
— модуль дежурного питания, который обеспечивает низковольтное питание (+15В, + 5В, +3,3В) на популярной TOP227 мощностью 70 Вт
— модуль аварийного питания, который преобразует 48В с АКБ во все те же +15, +5, +3,3В.
Эпилог
Да бы не перегружать читателя поток информации — я планирую разбить весь процесс проектирования и самостоятельного изготовления ИБП на не менее чем 10 частей. А как вы хотели? Это дело сложное и ответственное!
Я планирую по мимо того, что посвящу для каждого описанного выше модуля целую часть, еще и выделить одну статейку как пособие по выбору компонентов, поиску выгодных цен. Так же отдельно будет рассмотрено изготовление трансформаторов и дросселей, их расчетам и намотке. Все данные этапы будут сопровождаться подробным фото отчетом и виде.
Надеюсь вас заинтриговал, а возможно кому-то уже стало интересно, так что продолжение следует…
Автор: R4ABI
