Искажения из-за неправильной разводки сети

Выполнение перечисленных выше рекомендаций гарантирует нормальную передачу электрических сигналов в любую точку сети на основе интерфейса RS-485. При несоблюдении хотя бы одного из требований сигнал искажается. Вот, например, осциллограммы сигнала, снятого в точке подключения приемника, расположенного в 15 метрах от передатчика и 30 метрах от конца линии, при включенном и отключенном согласующем резисторе:

Следующая осциллограмма показывает искажения сигнала, возникающие при подключении к основному согласованному кабелю длинным 3-метровым отводом:

Приведенные осциллограммы характерны для высоких скоростей обмена (1 Мбит/с и выше). Однако и на более низких скоростях не следует пренебрегать приведенными рекомендациями, даже если "оно и так работает".

Рекомендации по программированию

При программировании приложений для контроллеров, использующих для связи интерфейс RS-485, следует учитывать несколько моментов:

• Перед началом выдачи посылки нужно включить передатчик. Хотя некоторые источники утверждают, что выдачу можно начинать сразу после включения, мы рекомендуем выдержать паузу, равную или большую длительности передачи одного фрейма (включая стартовый и стоповый биты). В этом случае правильная программа приема успевает обнаружить ошибки переходного процесса, нормализоваться и подготовиться к приему первого байта данных.

• После выдачи последнего байта данных следует также выдержать паузу перед выключением передатчика RS-485. Это связано с тем, что контроллер последовательного порта обычно имеет два регистра: параллельный входной для приема данных и выходной сдвиговый для последовательного вывода. Прерывание по передаче контроллер формирует при опустошении входного регистра, когда данные уже выложены в сдвиговый регистр, но ещё не выданы! Поэтому с момента прерывания до выключения передатчика нужно выдержать паузу. Ориентировочная длительность паузы — на 0,5 бита длиннее фрейма, для точного расчета следует внимательно изучить документацию на контроллер последовательного порта.

• Поскольку передатчик и приемник интерфейса RS-485 подключены к одной линии, то собственный приемник будет "слышать" передачу своего же передатчика. Иногда, в системах с произвольным доступом к линии, это свойство используют для проверки отсутствия "столкновений" двух передатчиков. В системах, работающих по принципу "ведущий - ведомый", на время передачи лучше просто закрывать прерывания от приемника.

Ethernet — стандарт для локальных сетей, объединяющих контроллеры и сервера.

Отличие Ethernet от других сетей (например, Arcnet, Token Ring) состоит в методе доступа передающего устройства к среде передачи. В Ethernet все устройства равнозначны. Устройство прослушивает линию и начинает передачу при отсутствии сигнала. В процессе передачи устройство контролирует правильность передачи собственным приемником. При обнаружении в это время чужой передачи (по искажению принимаемого сигнала) устройство прерывает передачу и выдерживает паузу случайной длительности, после чего повторяет попытку передачи.

Первые сети Ethernet строились с использованием коаксиального кабеля и имели строго линейную структуру. Сейчас стандартной средой для передачи сигнала стал кабель из нескольких витых пар. Компьютеры подключают не напрямую друг к другу, а через концентраторы (часто используется жаргонное слово "хаб" — англ. hub). В последнее время часто вместо "хабов" используют коммутаторы ("свич" — англ. switch), которые обладают более развитым "интеллектом" и позволяют несколько разгрузить сеть. Раньше для подключения компьютера к сети Ethernet в компьютер устанавливали специальную сетевую плату, в настоящее время интерфейсные микросхемы и разъем смонтированы прямо на материнской плате.

Разъем типа RJ-45 для подключения Ethernet на витой паре (плата процессорного модуля контроллера). Разъем дополнительно оснащён двумя светодиодами (в правой части фото), один из которых показывает наличие связи с коммутатором, а второй — передачу данных.

Данные в сети передаются пакетами до 1,5 килобайт. Скорость передачи данных (максимальная) составляет 10 или 100 Мбит/с и даже 1 Гбит/с, в зависимости от используемого оборудования и кабелей. Следует заметить, что Ethernet не гарантирует фиксированного времени задержки при передаче информационного пакета, особенно при сильной загрузке сети, когда кому-то захотелось посмотреть по сети фильм...

Ethernet проникает и в сферу промышленной автоматизации, и сейчас многие промышленные контроллеры имеют возможность подключения к Ethernet. Особенно привлекательно такое решение выглядит при автоматизации промышленных предприятий, где сеть уже проложена. Для подключения приборов, не имеющих интерфейса Ethernet, выпускают преобразователи, например, конвертор RS-232 в Ethernet. Для работы с такими конверторами на ПЭВМ устанавливают специальный драйвер, после чего у ПЭВМ появляется дополнительный виртуальный COM-порт, через который можно связываться с прибором.

Силовой выход системы управления

В настоящее время основными полностью управляемыми приборами силовой электроники в области коммутируемых токов до 50А и напряжений до 500В являются биполярные транзисторы (BPT) и идущие им на смену полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET). Нишу высоковольтных силовых приборов с большими уровнями токов и напряжениями до единиц киловольт заняли биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT- Insulated Gate Bipolar Transistor) [1].

MOSFET транзисторы, появившиеся в 80-х годах, имели характеристики, близкие к характеристикам идеального ключа и являлись наиболее популярными ключевыми элементами. Однако оказалось, что главным параметром, ограничивающим область их применения, является допустимое напряжение на стоке. Высоковольтных MOSFET транзисторов с достаточно хорошими характеристиками создать пока не удается, так как сопротивление канала открытого транзистора растет пропорционально квадрату напряжения пробоя. Это затрудняет их применение в устройствах с высоким КПД.

В середине 80-х годов возникла идея создания биполярного транзистора с полевым управлением, а уже в середине 90-х годов в каталогах ряда компаний (среди которых одной из первых была International Rectifier) появились транзисторы IGBT. В настоящее время в каталогах всех ведущих производителей мощных полупроводниковых приборов можно найти эти транзисторы.

Помимо области высоковольтных силовых преобразователей на мощности от единиц киловатт, IGBT-транзисторы используются в бытовой технике для управления относительно маломощными приводами с широким диапазоном регулирования скорости вращения. Так IGBT нашли применение в стиральных машинах и инверторных кондиционерах. Их также с успехом применяют в качестве высоковольтных ключей для электронного зажигания автомобилей. Эти транзисторы с улучшенной характеристикой переключения широко используются в импульсных блоках питания телекоммуникационных и серверных систем. IGBT-прибор представляет собой биполярный p-n-p транзистор, управляемый от сравнительно низковольтного MOSFET-транзистора с индуцированным каналом (рис.1,а).

Рис. 1. Эквивалентные схемы IGBT транзистора

IGBT-приборы являются компромиссным техническим решением, позволившим объединить положительные качества как биполярных (малое падение напряжения в открытом состоянии, высокие коммутируемые напряжения), так и MOSFET-транзисторов (малая мощность управления, высокие скорости коммутации). В то же время потери у них растут пропорционально току, а не квадрату тока, как у полевых транзисторов.

Максимальное напряжение IGBT-транзисторов ограничено только технологическим пробоем и уже сегодня выпускаются приборы с рабочим напряжением до 4000В. При этом остаточное напряжение на транзисторе во включенном состоянии не превышает 2…3В. По быстродействию силовые IGBT-приборы пока уступают MOSFET-транзисторам, но превосходят биполярные.

Структура базовой IGBT-ячейки представлена на рис.2а. Она содержит в стоковой области дополнительный p⁺-слой, в результате чего и образуется p-n-p биполярный транзистор с очень большой площадью, способный коммутировать значительные токи. При закрытом состоянии структуры внешнее напряжение приложено к обедненной области эпитаксиального n^–-слоя.

При подаче на изолированный затвор положительного смещения возникает проводящий канал в р-области (на рисунке обозначен пунктирной линией) и включается соответствующий МДП транзистор, обеспечивая открытие биполярного p-n-p транзистора. Между внешними выводами ячейки? коллектором и эмиттером начинает протекать ток. При этом ток стока МДП-транзистора оказывается усиленным в (?+1) раз. При включенном биполярном транзисторе в n^–-область идут встречные потоки носителей (электронов и дырок), что ведет к падению сопротивления этой области и дополнительному уменьшению остаточного напряжения на приборе.

Рис.2. Структуры элементарных ячеек IGBT транзисторов

Напряжение на открытом приборе складывается из напряжения на прямосмещенном эмиттерном переходе p-n-p-транзистора (диодная составляющая) и падения напряжения на сопротивлении модулируемой n^–-области (омическая составляющая):

, где:

• R_МДП- сопротивление MOSFET транзистора в структуре IGBT (сопротивление эпитаксиального n^–-слоя);

• b- коэффициент передачи базового тока биполярного p-n-p-транзистора.

В настоящее время для уменьшения падения напряжения на IGBT транзисторах в открытом состоянии, расширения диапазонов допустимых токов, напряжений и области безопасной работы они изготавливаются по технологии с вертикальным затвором- trench-gate technology (рис.2б). При этом размер элементарной ячейки уменьшается в 2…5раз. Как правило, в области рабочих токов, на которые проектируется структура IGBT, остаточное напряжение на приборе слабо зависит от температуры (рис.3).

Рис. 3.

На рис 3 показана зависимость падения напряжения на открытом приборе от температуры для высоковольтного MOSFET транзистора IRF840 и IGBT транзисторов при токе 10А Усилительные свойства IGBT-прибора характеризуются крутизной S, которая определяется усилительными свойствами МДП и биполярного транзисторов в структуре IGBT. Соответственно, значение крутизны для IGBT является более высоким в сравнении с биполярными и МДП-транзисторами.

Динамические характеристики IGBT структуры определяются внутренними паразитными емкостями, состоящими из межэлектродных емкостей МДП-транзистора и дополнительных емкостей p-n-p-транзистора.

Типичные значения времени рассасывания накопленного заряда и спада тока при выключении IGBT находятся в диапазонах 0,2…0,4 и 0,2…1,5мкс соответственно. Область безопасной работы современных IGBT транзисторов позволяет успешно обеспечить их надежную работу без применения дополнительных цепей формирования траектории переключения при частотах от 10 до 20кГц. Типовые характеристики IGBT-транзисторов приведены на рис.4-6 [2].

Рис. 4.

На рис.4 показано семейство выходных вольтамперных характеристик IGBT-транзистора

Рис. 5.

На рис.5. показана зависимость напряжения насыщения коллектор-эмиттер от напряжения затвор-эмиттер

Рис. 6.

На рис.6 показаны динамические характеристики IGBT транзисторов (для полумостовой схемы с индуктивной нагрузкой):

• t_{d (on)} и t_{d (off)}- времена задержки переключения;

• t_r- время нарастания коллекторного тока;

• t_f- время спада коллекторного тока

В общем случае выход из строя IGBT-транзисторов связан с нарушением границ области безопасной работы. Основная часть аварийных ситуаций связана с превышением максимально допустимого напряжения коллектор-эмиттер. Индуктивная нагрузка и переходные режимы напряжения питания коллекторной цепи также могут вызвать разрушение IGBT-приборов.

Неприятной особенностью IGBT-транзисторов некоторых производителей является эффект "защелки", который связан с наличием триггерной схемы, образованной биполярной частью IGBT-структуры и паразитным n-p-n транзистором (рис.1б). При определенных условиях работы, когда напряжение на паразитном резисторе R_s превышает некоторое пороговое значение, n-p-n транзистор открывается, триггер опрокидывается и происходит защелкивание. Следствием этого, как правило, является лавинообразный выход прибора из строя.

При разработке электронных схем с использованием IGBT-транзисторов в которых такая ситуация возможна, следует особое внимание уделять ограничению максимальных токов и ограничению dV/dt. Для ограничения тока короткого замыкания при аварийном режиме рекомендуется включение между затвором и эмиттером защитной цепи, предотвращающей увеличение напряжения затвор-эмиттер при резком нарастании тока коллектора.

Наилучшим вариантом является подключение параллельно цепи затвор-эмиттер последовательно соединенных диода Шоттки и конденсатора, заряженного до напряжения +15…+16В. Допускается применение в качестве защитного элемента стабилитрона на напряжение 15…16В. Для защиты IGBT-транзисторов от коммутационных перенапряжений в цепи коллектор-эмиттер следует применять снабберные RC и RCD-цепи, установленные непосредственно на силовых выводах [1].

Затвор IGBT-транзисторов электрически изолирован от канала очень тонким слоем диэлектрика и легко может быть поврежден при неправильной эксплуатации. Для нормального включения и перевода IGBT-транзистора в состояние насыщения при обеспечении минимальных потерь в этом состоянии необходим заряд входной емкости прибора (1000…5000пФ) до +15  10%. Перевод прибора в закрытое состояние может осуществляться как подачей нулевого напряжения, так и отрицательного- не более –20В (обычно в пределах –5…–6В). Максимально допустимое напряжение затвор-эмиттер не должно превышать +20В. Превышение этого напряжения может пробить изоляцию затвора и вывести прибор из строя. Не рекомендуется работа IGBT-транзистора и при "подвешенном" затворе, так как в противном случае возможно ложное включение прибора.

С целью снижения динамических потерь и увеличения частоты коммутации необходимо обеспечить малое время переключения прибора. Время переключения для большинства ключей на IGBT-транзисторах лежит в пределах 100…1000нс., что требует обеспечивать перезаряд входной емкости в течение короткого времени с помощью токовых пиков до 5А и более. Необходимо также уменьшать отрицательную обратную связь, которая может возникнуть из-за индуктивности слишком длинного соединительного проводника к эмиттеру прибора.

Длина соединительных проводников между управляющей схемой и мощным полевым транзистором должна быть минимальной для исключения помех в цепи управления. Для соединения целесообразно использовать витую пару минимальной длины или прямой монтаж платы управляющей схемы на выводы управления транзистора. Если не удается избежать длинных проводников в цепи затвора, то в качестве меры предосторожности необходимо включить последовательно с затвором резистор с небольшим сопротивлением. Обычно достаточно, чтобы сопротивление этого резистора лежало в диапазоне 100…200Ом.

Следует отметить, что IGBT-транзисторы не так чувствительны к электростатическому пробою, как, например, КМОП-приборы, из-за того, что входная емкость мощных IGBT-транзисторов значительно больше и может вместить в себя большую энергию, прежде чем разряд вызовет необратимый пробой затвора. Однако при транспортировке и хранении этих приборов затвор и эмиттерный вывод должны быть закорочены токопроводящими перемычками, которые не должны сниматься до момента подключения транзистора в схему.

Производить монтажные работы с IGBT-транзисторами необходимо только при наличии антистатического браслета. Все инструменты и оснастка, с которыми может контактировать модуль, должны быть заземлены. Для защиты затвора от статического пробоя непосредственно в схеме необходимо подключение параллельно цепи затвор-эмиттер резистора сопротивлением 10…20кОм. Условные графические обозначения IGBT-транзисторов, используемые различными производителями на принципиальных схемах электронных устройств, приведены на рис.7.

Рис. 7. Условные графические обозначения IGBT-транзисторов

Компания International Rectifier (IR) выпускает четыре семейства IGBT-транзисторов, ориентированных на применение в различных областях силовой электроники. Разделение по классам идет по диапазону рабочих частот. Так выделяют семейства Standart, Fast, UltraFast, Warp (табл.1).

Таблица 1. Сравнительные характеристики различных семейств IGBT-транзисторов компании IR

Параметр	Семейства IGBT-транзисторов
	Standart	Fast	UltraFast	Warp
Uкэ, В	1,3	1,5	1,8	2,1
Энергия переключения, мДж/А?мм^2	0,54	0,16	0,055	0,03
Статические потери, Вт	0,625	0,75	0,95	1,1

Транзисторы семейства Standart оптимизированы на применение в цепях, где необходимо малое падение напряжения на ключе и малые статические потери. Транзисторы семейства UltraFast и Warp оптимизированы на применение в ВЧ цепях, где необходимо иметь малые динамические потери. Малая энергия переключения позволяет использовать транзисторы Warp вплоть до частот 150кГц, а транзисторы UltraFast- до 60кГц при приемлемом уровне динамических потерь.

Транзисторы семейства Fast являются некоторым компромиссом между рассмотренными семействами. Обладая невысоким падением напряжением и приемлемыми потерями, транзисторы Fast могут использоваться в цепях, где не требуется очень высокие скорости переключения, в схемах, где применение Standart приведет к большим динамическим потерям, а применения Warp приведет к высоким статическим потерям. По скоростям переключения сравнимы с биполярными транзисторами.

В рекомендациях по применению компания International Rectifier указывает, что в IGBT транзисторах нового поколения триггерная структура подавлена полностью. Кроме этого обеспечивается почти прямоугольная область безопасной работы. Цифробуквенное обозначение IGBT-транзисторов, выпускаемых компанией приведено на рис.8.

Рис. 8. Обозначение IGBT-транзисторов компании IR

В табл.2 приведены параметры IGBT-транзисторов средней мощности с максимальным напряжением 600В, которые находят широкое применение в бытовой и офисной технике [3].

Таблица 2. IGBT-транзисторы компании IR

Наименование	Корпус	Рабочие частоты, кГц	Uкэ макс, В	Uкэ вкл, В	Iк (25^оC)	Iк (100^оC)	Р, Вт
IRG4BC10K	TO-220AB	8-25	600	2,62	9,0	5,0	38
IRG4BC10S	TO-220AB	1	600	1,70	14	8,0	38
IRG4BC20F	TO-220AB	1-8	600	2	16	9	60
IRG4BC20FD-S	D2-Pak	1-8	600	1,66	16	9	60
IRG4BC20K (-S)	TO-220AB (D2-Pak)	8-25	600	2,80	16	9,0	60
IRG4BC20S	TO-220AB	1	600	1,6	19	10	60
IRG4BC20U	TO-220AB	8-60	600	2,1	13	6,5	60
IRG4BC20W (-S)	TO-220AB (D2-Pak)	60-150	600	2,60	13	6,5	60
IRG4BC30F	TO-220AB	1-8	600	1,8	31	17	100
IRG4BC30K (-S)	TO-220AB (D2-Pak)	8-25	600	2,70	28	16	100
IRG4BC30S (-S)	TO-220AB (D2-Pak)	1	600	1,60	34	18	100
IRG4BC30U	TO-220AB	8-60	600	2,1	23	12	100
IRG4BC30U-S	D2-Pak	8-60	600	1,95	23	12	100
IRG4BC30W (-S)	TO-220AB (D2-Pak)	60-150	600	2,70	23	12	100
IRG4BC40F	TO-220AB	1-8	600	1,7	49	27	160
IRG4BC40K	TO-220AB	8-25	600	2,6	42	25	160
IRG4BC40S	TO-220AB	1	600	1,5	60	31	160
IRG4BC40U	TO-220AB	8-60	600	2,10	40	20	160
IRG4BC40W	TO-220AB	60-150	600	2,50	40	20	160
IRG4IBC20W	TO-220 FullPak	60-150	600	2,60	11,8	6,2	34
IRG4IBC30S	TO-220 FullPak	1	600	1,6	23,5	13	45
IRG4IBC30W	TO-220 FullPak	60-150	600	2,70	17	8,4	45
IRG4PC30F	TO-247AC	1-8	600	1,80	31	17	100
IRG4PC30K	TO-247AC	8-25	600	2,70	28	16	100
IRG4PC30S	TO-247AC	1	600	1,60	34	18	100
IRG4PC30U	TO-247AC	8-60	600	2,10	23	12	100
IRG4PC30W	TO-247AC	60-150	600	2,70	23	12	100
IRG4PC40F	TO-247AC	1-8	600	1,70	49	27	160
IRG4PC40K	TO-247AC	8-25	600	2,6	42	25	160
IRG4PC40S	TO-247AC	1	600	1,50	60	31	160
IRG4PC40U	TO-247AC	8-60	600	2,10	40	20	160
IRG4PC40W	TO-247AC	60-150	600	2,50	40	20	160
IRG4PC50F	TO-247AC	1-8	600	1,60	70	39	200
IRG4PC50K	TO-247AC	8-25	600	2,20	52	30	200
IRG4PC50S	TO-247AC	1	600	1,36	70	41	200
IRG4PC50S-P	SM TO-247	?1	600	1,36	70	41	200
IRG4PC50U	TO-247AC	8-60	600	2,00	55	27	200
IRG4PC50W	TO-247AC	60-150	600	2,30	55	27	200
IRG4PC60F	TO-247AC	1-8	600	1,80	90	60	520
IRG4PC60U	TO-247AC	8-60	600	2,00	75	40	520
IRG4PSC71K	TO-274AA	8-25	600	2,30	85	60	350
IRG4PSC71U	TO-274AA	8-60	600	2,00	85	60	350
IRG4RC10K	D-Pak	8-25	600	2,62	9	5	38
IRG4RC10S	D-Pak	1	600	1,7	14	8	38
IRG4RC10U	D-Pak	8-60	600	2,6	8.5	5	38
IRG4RC20F	D-Pak	1-8	600	2,1	22	12	66
IRGB30B60K	TO-220AB	10-30	600	2,35	78	50	370
IRGB4B60K	TO-220AB	-	600	2,5	12	6,8	63
IRGB6B60K	TO-220AB	10-30	600	1,80	13	7	90
IRGB8B60K	TO-220AB	10-30	600	2,2	17	9,0	140
IRGS30B60K	D2-Pak	10-30	600	2,35	78	50	370
IRGS4B60K	D2-Pak	-	600	2,5	12	6,8	63
IRGS6B60K	D2-Pak	10-30	600	1,80	13	7	90
IRGS8B60K	D2-Pak	10-30	600	2,2	17	9,0	140
IRGSL30B60K	TO-262	10-30	600	2,35	78	50	370
IRGSL4B60K	TO-262	-	600	2,5	12	6,8	63
IRGSL6B60K	TO-262	10-30	600	1,80	13	7	90
IRGSL8B60K	TO-262	10-30	600	2,2	17	9,0	140

Источники бесперебойного питания (ИБП)

Источники бесперебойного питания (ИБП) предназначены для защиты электрооборудования пользователя от любых неполадок в сети, включая искажение или пропадание напряжения сети, а также подавления высоковольтных импульсов и высокочастотных помех, поступающих из сети. Разнообразие топологии и структурное построение ИБП рассмотрены в ряде работ

В соответствии с международным стандартом IEC 62040-3 [1,2] современные ИБП разделяются на три основных типа:

• ИБП резервного типа - Passive Standby UPS (ранее назывался Off-Line UPS);

• ИБП линейно-интерактивного типа - Line-Interactive UPS;

• ИБП с двойным преобразованием энергии - Double-Conversion UPS (ранее назывался On-Line UPS).

Общая структура ИБП резервного типа, представленная на рисунке 1, содержит входной фильтр (ВФ), зарядное устройство (ЗУ), инвертор (ИНВ), аккумуляторную батарею (АБ), блок коммутации (БК), регулирующий стабилизатор (СТ).

Рис.1 Общая структура ИБП резервного типа

В наиболее простых и дешевых моделях ИБП резервного типа стабилизатор отсутствует. Инвертор подключен параллельно сетевому источнику и действует как источник резервного питания.

При наличие сетевого напряжения соответствующего качества нагрузка подключается коммутатором к сети через высокочастотный входной фильтр ВФ и стабилизатор СТ. В качестве последнего могут быть использованы феррорезонансный трансформатор или автотрансформатор с переключаемыми отводами обмотки [3] (см. рис.2), выполняющий функции дискретного регулятора (корректора) напряжения. Данная функция обеспечивает расширение диапазона входного напряжения, при котором не происходит переключение в аккумуляторный режим.

Рис.2 Подключение нагрузки к сети через автотрансформатор с переключаемыми отводами обмотки

При отклонении входного напряжения более допустимого или пропадании сети происходит переключение нагрузки на инвертор, выходное напряжение которого имеет прямоугольную форму с регулируемыми паузами между положительными и отрицательными импульсами (см. рис.3). Это обеспечивает стабилизацию действующего значения основной гармоники выходного напряжения (50 Гц) при изменении напряжения аккумуляторной батареи. Таким образом, ИБП резервного типа представляют собой комбинацию стабилизатора и инвертора, коммутируемых с помощью автомата ввода резерва (АВР).

Рис.3 Форма выходного напряжения инвертора ИБП резервного типа

Достоинства ИБП резервного типа:

• простота и дешевизна;

• высокий КПД в сетевом режиме.

Недостатки:

• конечное время переключения нагрузки с сети на инвертор и наоборот;

• несинусоидальное выходное напряжение в автономном режиме;

• ИБП не защищает нагрузку от недопустимых отклонений частоты и формы напряжения сети;

• возможно возникновение нежелательных переходных процессов выходного напряжения при переключениях с сети на инвертор и наоборот;

• нелинейная нагрузка с высоким крест-фактором вызывает искажения входного тока от синусоидальной формы и снижает входной коэффициент мощности.

Наиболее распространенный диапазон мощностей ИБП резервного типа: 250 - 1500 ВА.

В таблице 1 приведены основные технические характеристики некоторых наиболее известных ИБП резервного типа.

Таблица 1. Технические характеристики резервных ИБП

Модель	ЛИК	Back-UPS AVR	SmartLine / Smart-Vision	Back Pro / BNT
Производитель	Тэнси-Техно	APC	NeuHaus / N-Power	Powerman / Powercom
Мощность, кВА	0,5; 1,0; 1,5	0,5	0,3; 0,45; 0,7; 1,0; 1,5	0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1,0; 1,4
Диапазон входного напряжения, В	220 -27%,+23%	220 ±27%	220 -23%, +30%	220 ±25%
Точность выходного напряжения, В	220 ±7%	220 -10%,+6%	220 -14,5%, +10%	220 ±10%

На рисунке 4 приведена структура линейно-интерактивного ИБП. Здесь, в отличие от резервных ИБП, присутствует двунаправленный преобразователь напряжения (ДПН), выполняющий как функцию инвертора, так и функцию зарядного устройства. При наличии сети ДПН работает как выпрямитель и осуществляет заряд АБ. Благодаря двунаправленному действию и синусоидальной форме напряжения, формируемого в режиме инвертора, ДПН взаимодействует с сетевым источником, т.е. имеет интерактивное включение.

Рис.4 Структура линейно-интерактивного ИБП

Как и для резервных ИБП, в данном случае в качестве стабилизирующего узла для расширения диапазона входного напряжения без перехода на автономный режим обычно используется дискретный корректор напряжения. В сетевом режиме ИБП возможна дополнительная стабилизация выходного напряжения путем добавки или вычитания выходного напряжения ДПН. Такой принцип стабилизации получил название "Дельта-преобразование" и используется многими производителями ИБП [4].

Достоинства ИБП линейно-интерактивного типа (в отличие от резервных ИБП):

• синусоидальная форма выходного напряжения в автономном режиме;

• совмещение функций ЗУ и ИНВ в одном узле.

Остальные недостатки, присущие резервным ИБП, распространяются и на ИБП линейно-интерактивного типа. На наш взгляд, блок коммутации является наиболее ответственным местом данных ИБП, поскольку именно от его работы зависит обеспечение надежности всего ИБП. Это связано с тем, что при переходе ИБП в автономный режим этот блок должен обеспечивать четкое рассоединение инвертора и сетевого источника, обладающего малым внутренним сопротивлением. В противном случае инвертор оказывается замкнутым накоротко и выходит из строя.

Наиболее распространенный диапазон мощностей ИБП линейно-интерактивного типа: 500 - 3000 ВА. В таблице 2 приведены основные технические характеристики некоторых моделей ИБП линейно-интерактивного типа.

Таблица 2. Технические характеристики линейно-интерактивных ИБП

Модель	Smart-UPS	PSI	PW5125	Real Smart / PC KIN
Производитель	APC	Liebert	Invensys	Powerman / Powercom
Мощность, кВА	0,42; 0,62; 0,7; 1,0; 1,4; 2,2	0,7; 1,0; 1,4; 2,2	1,0; 1,5; 2,2	0,7; 1,0; 1,5; 2,2
Диапазон входного напряжения, В	220 -28%,+23%	220 -25%,+24%	220 -30%,+20%	220 -30%,+25%
Точность выходного напряжения, В	220 ±10%	220 -15%,+12%	220 -10%,+6%	220 ±10%

Топология ИБП с двойным преобразованием энергии в общем виде приведена на рисунке 5. По этой топологии инвертор включен последовательно в цепи сетевой источник - нагрузка. При наличие сетевого напряжения в допустимых пределах (величина, частота, искажение синусоидальной формы) питание нагрузки происходит по цепи выпрямитель - инвертор, где происходит преобразование напряжения переменного тока в постоянный и наоборот, т.е. двойное преобразование энергии. В режиме перегрузки или выхода из строя какого-либо узла двойного преобразования нагрузка переключается напрямую к сети через блок коммутации цепи автоматического шунтирования (BYPASS). При пропадании сети или ее недопустимых отклонениях ИБП мгновенно переходит в автономный режим питания нагрузки энергией аккумуляторной батареи. В сетевом режиме выпрямитель выполняет также функцию зарядного устройства батареи. Выпрямитель может выполняться управляемым (на тиристорах или IGBT транзисторах) или неуправляемым (на диодах). Инверторы ИБП с двойным преобразованием энергии выполняются на IGBT транзисторах, коммутируемых с частотой 10 - 50 кГц, и формирующих с помощью выходного фильтра синусоидальное напряжение 50 Гц.

Рис.5 Топология ИБП с двойным преобразованием энергии

По рассмотренной топологии выполняются ИБП средней и большой мощности (более 30 кВА), имеющие номинальные значения напряжения батареи в пределах 360 - 384 В. ИБП меньшей мощности используются определенные разновидности основной топологии двойного преобразования - за счет дополнительных силовых блоков преобразования (см. рис.6, 7).

Рис.6 Структура ИБП с двойным преобразованием и корректором коэффициента мощности для однофазных ИБП малой мощности		Рис.7 Структура ИБП с двойным преобразованием и корректором коэффициента мощности для одно- и трехфазных ИБП средней мощности

Структура на рисунке 6 используется для однофазных ИБП мощностью до 3 кВА и содержит блок корректора коэффициента мощности, совмещенный с неуправляемым выпрямителем (ККМ-В), блок зарядного устройства (ЗУ), преобразователь постоянного напряжения (ППН). Функциональное назначение этих блоков следующее:

• ККМ-В обеспечивает преобразование напряжения сети переменного тока в стабильное напряжение постоянного тока. Этим достигается практически синусоидальная форма тока, потребляемого из сети, что позволяет иметь входной коэффициент мощности близким к единице;

• ЗУ формирует необходимую величину напряжения заряда аккумуляторной батареи, номинальное значение напряжения которой выбирается, в зависимости от мощности ИБП, от 36 до 96 В;

• ППН обеспечивает согласование напряжения батареи с высоковольтным напряжением питания инвертора и рассчитан на максимальную мощность нагрузки.

Структура на рисунке 7 используется как для однофазных, так и для трехфазных ИБП мощностью 6 - 30 кВА. Здесь ППН выполняет как функцию ККМ, так и функцию стабилизатора напряжения питания инвертора. Номинальное значение напряжения батареи выбирается в пределах 120 - 288 В. Вход ЗУ может питаться как сетевым напряжением, так и стабильным постоянным напряжением с выхода ППН.

Основные достоинства ИБП с двойным преобразованием энергии:

• обеспечение высокой точности стабилизации синусоидального выходного напряжения в сетевом и автономном режимах;

• обеспечение стабильной частоты выходного напряжения при отклонениях частоты сети;

• отсутствие переходных процессов при переключениях с сетевого режима на автономный и наоборот;

• возможность исключить влияние нелинейной нагрузки с высоким крест-фактором на форму входного тока;

• повышение надежности системы по обеспечению бесперебойного питания нагрузки за счет автоматического шунтирования.

В таблицах 3 - 5 приведены основные технические характеристики ряда моделей ИБП с двойным преобразованием энергии.

Таблица 3. Технические характеристики трехфазных ИБП (см. рис.5)

Модель	HL	UPS 7200	Borri 4000
Производитель	Astrid	Liebert	Invensys
Мощность, кВА	20, 25, 32, 40, 60, 80, 100, 125	30, 40, 60	20, 30, 40, 60, 80, 100, 120
Диапазон входного напряжения, В	380 ±10%	380 -15%,+10%	380 -10%,+15%
Точность выходного напряжения, В	380 ±1%	380 ±1%	380 ±1%
Коэффициент мощности по входу	0,83	0,8	0,83
Коэффициент мощности по выходу	0,8	0,8	0,8

Таблица 4. Технические характеристики однофазных ИБП малой мощности (см. рис.6)

Модель	ДПК	UPStation GXT		PW9120	ULTimate
Производитель	Тэнси-Техно	Liebert		Invensys	Powercom
Мощность, кВА	1,0; 3,0	0,7; 1,0; 1,5	2,0; 3,0	0,7; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0	0,7; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0
Диапазон входного напряжения, В	220 -27%,+25%	220 ±27%	220 -20%,+27%	220 -27%,+25%	220 -27%,+25%
Точность выходного напряжения, В	220 ±3%	220 ±3%	220 ±3%	220 ±3%	220 ±2%
Коэффициент мощности по входу	0,95	0,95	0,95	0,97	0,98
Коэффициент мощности по выходу	0,7	0,7	0,7	0,7	0,7

Таблица 5. Технические характеристики однофазных ИБП средней мощности (см. рис.7)

Модель	ДПК	UPStation GXT	PW9150	ONLine
Производитель	Тэнси-Техно	Liebert	Invensys	Powercom
Мощность, кВА	6,0; 10,0	6,0; 10,0	8,0; 10,0; 12,0	7,5; 10,0; 15,0
Диапазон входного напряжения, В	220 -15%,+25%	220 -15%,+25%	220 -20%,+25%	220 ±25%
Точность выходного напряжения, В	220 ±3%	220 ±3%	220 ±2%	220 ±1%
Коэффициент мощности по входу	0,98	0,98	0,98	н/д
Коэффициент мощности по выходу	0,7	0,7	0,7	0,8

ИБП с двойным преобразованием энергии обладает наиболее совершенной технологией по обеспечению качественной электроэнергией без перерывов в питании нагрузки при переходе с сетевого режима (питание нагрузки энергией сети) на автономный режим (питание нагрузки энергией аккумуляторной батареи), и наоборот. Обеспечивая синусоидальную форму выходного напряжения, такие ИБП используются для ответственных потребителей электроэнергии, предъявляющих повышенные требования к качеству электропитания (сетевое оборудование, файловые серверы, рабочие станции, персональные компьютеры, оборудование вычислительных и телекоммуникационных залов, системы управления технологическим процессом и т.д.). Современные ИБП малой и средней мощности, в отличие от классической схемы "выпрямитель - инвертор", содержат в своей структуре корректор коэффициента мощности, обеспечивающий входной коэффициент мощности, близкий к единице, и практически синусоидальную форму тока, потребляемого из сети [1].

Встречающийся в последнее время термин "ИБП с тройным преобразованием" [9] может ввести в заблуждение читателя о якобы новой топологии ИБП. На самом деле, речь идет о дополнительном преобразовании нестабильного напряжения постоянного тока в стабильное повышенное напряжение постоянного тока для питания инвертора, присутствующем в структурах ИБП с корректором коэффициента мощности. В соответствии с международным стандартом [2], такие структуры также относятся к ИБП с двойным преобразованием энергии (Double-Conversion UPS).

В зависимости от состояния сети и величины нагрузки, ИБП c двойным преобразованием может работать в различных режимах: сетевом, автономном, Байпас и других.

Сетевой режим - режим питания нагрузки энергией сети. При наличии сетевого напряжения в пределах допустимого отклонения, и нагрузки, не превышающей максимально допустимую, ИБП работает в сетевом режиме. При этом режиме осуществляется:

• фильтрация импульсных и высокочастотных сетевых помех;

• преобразование энергии переменного тока сети в энергию постоянного тока с помощью выпрямителя и схемы коррекции коэффициента мощности;

• преобразование с помощью инвертора энергии постоянного тока в энергию переменного тока со стабильными параметрами;

• подзаряд АБ с помощью зарядного устройства.

Автономный режим - режим питания нагрузки энергией аккумуляторной батареи. При отклонении параметров сетевого напряжения за допустимые пределы или при полном пропадании сети ИБП мгновенно переходит на автономный режим питания нагрузки энергией аккумуляторной батареи (АБ) через повышающий преобразователь DC/DC и инвертор. При восстановлении напряжения сети ИБП автоматически перейдет в сетевой режим.

Режим Байпас - питание нагрузки напрямую от сети. Если в сетевом режиме происходит перегрузка или перегрев ИБП, а также, если один из узлов ИБП выходит из строя, то нагрузка автоматически переключается с выхода инвертора напрямую к сети. При снятии причин перехода в Байпас (перегрузки или перегрева) ИБП автоматически возвращается в нормальный сетевой режим с двойным преобразованием энергии.

Отметим, что в режиме Байпас нагрузка не защищена от некачественного напряжения сети.

Режим заряда батареи возникает при наличие сетевого напряжения. Зарядное устройство обеспечивает заряд аккумуляторной батареи, независимо от того, включен ли инвертор или присутствует режим Байпас.

Режим автоматического перезапуска ИБП возникает при восстановлении сетевого напряжения, если до того ИБП работал в автономном режиме и был автоматически отключен внутренним сигналом во избежание недопустимого разряда батареи. После появления входного напряжения ИБП автоматически включится и перейдет на сетевой режим.

Режим холодного старта обеспечивает включение ИБП для работы в автономном режиме при отсутствие сетевого напряжения путем нажатия на кнопку ВКЛ инвертора.

Среди производителей ИБП с двойным преобразованием энергии получил распространение следующий ряд номинальных мощностей [3],[4]:

• однофазные ИБП малой мощности: 1; 1,5; 3 кВА;

• однофазные ИБП средней мощности: 6, 10, 15, 20 кВА;

• ИБП с трехфазным входом и однофазным выходом средней мощности:10,15,20,30 кВА;

• трехфазные ИБП средней мощности: 10, 15, 20, 30 кВА;

• трехфазные ИБП большой мощности: более 30 кВА.

Остановимся на рассмотрении особенностей схемотехники силовых цепей современных однофазных ИБП малой и средней мощности, на примере ИБП, выпускаемых рядом зарубежных (Liebert [11] , Invensys [12], Chloride [13], Riello [14]) и отечественным (Тэнси-Техно [15]) производителями.

Общепринятые производителями структурные схемы силовой цепи ИБП представлены на рисунках 1 и 2.

В состав ИБП малой мощности входит основной комплект плат, состоящий из силовой платы, плат входного и выходного фильтров, платы управления и платы дисплея.

Силовая плата содержит силовые узлы: ККМ-В, ИНВ, ППН, ЗУ (рис.1), обеспечивающие работу ИБП в сетевом и автономном режимах.

Платы входного и выходного фильтров обеспечивают подавление выбросов сетевого напряжения при переходных процессах и осуществляют фильтрацию высокочастотных коммутационных помех.

Плата управления обеспечивает необходимый алгоритм работы силовой платы ИБП, тестирование состояния, мониторинг и управление ИБП. Плата управления стыкуется разъемами с силовой платой и с платой дисплея. Все цепи ПУ изолированы от высоковольтного напряжения, присутствующего на силовой плате. По функциональному назначению состав ПУ может быть разбит на следующие узлы:

• центральный микроконтроллер (МК);

• узел формирования ШИМ сигналов для управления силовыми транзисторами инвертора;

• узел согласования входных и выходных сигналов;

• узел согласования сигналов индикации и управления платой дисплея;

• узел формирования сигналов по интерфейсу RS-232;

• вспомогательный источник питания цепей ПУ.

В качестве центрального МК может быть использован микроконтроллер типа МС68НС711 [10], на входы которого поступают аналоговые и цифровые сигналы измерения электрических параметров системы и состояния узлов ИБП.

МК обеспечивает:

• обработку аналоговой и цифровой информации о состоянии блоков силовой платы и режимов их работы;

• формирование сигналов управления блоками силовой платы;

• формирование сигналов информации о состоянии системы на плату дисплея и порт RS-232.

Помимо МК, наиболее ответственным узлом на плате управления является формирователь ШИМ-сигналов для управления транзисторами инвертора ИБП, реализованный на дискретных аналоговых элементах.

Плата дисплея содержит ряд светодиодов для индикации режимов работы ИБП и кнопки включения / выключения инвертора силовой платы. В некоторых моделях ИБП используются ЖК-дисплеи для отображения электрических параметров и состояния ИБП.

В составе ИБП возможно также наличие дополнительной платы зарядного устройства , обеспечивающей заряд внешней аккумуляторной батареи (АБ) повышенной емкости при работе ИБП в сетевом режиме.

Рис.1 Структурная схема ИБП малой мощности: ККМ-В - корректор коэффициента мощности -выпрямитель, ИНВ- инвертор, ППН - преобразователь постоянного напряжения, ЗУ - зарядное устройство, ВИП - вторичный источник питания, АБ - аккумуляторная батарея, К1, К2 - реле блока коммутации.

Рис.2 Структурная схема силовой цепи ИБП средней мощности: ККМ - корректор коэффициента мощности, В - выпрямитель, ИНВ - инвертор, ЗУ - зарядное устройство, ВИП - вторичный источник питания, АБ - аккумуляторная батарея, БК - блок коммутации, ДЗУ - дополнительная плата зарядного устройства.

В ИБП средней мощности из состава силовой платы выделяют несколько силовых узлов, содержащих силовые дроссели, накопительные конденсаторы, плату коммутации (Байпас), плату зарядного устройства.

Структурная схема силовой цепи ИБП средней мощности отличается от ИБП малой мощности применением двухтактной схемы ККМ, статическим блоком коммутации, выполненным на тиристорах, и цепью подключения АБ с помощью тиристора (см. рис.2).Принципиальной особенностью структуры ИБП средней мощности является то, что повышение напряжения аккумуляторной батареи (АБ) для питания инвертора осуществляется с помощью ККМ, исключая использование дополнительного преобразователя постоянного напряжения (ППН), по сравнению со структурой ИБП малой мощности. Это позволяет повысить общий К.П.Д. ИБП.

Рассмотрим более подробно некоторые особенности принципиальных схем узлов силовой цепи ИБП. Принципиальные схемы силовой цепи ИБП малой и средней мощности приведены на рисунках 3 и 4.

Рис.3 Принципиальная схема силовой цепи ИБП малой мощности.

Рис.4 Принципиальная схема силовой цепи ИБП средней мощности