Одновходовой и двухвходовой статический байпас

Как правило, источник бесперебойного питания содержит статический байпас, который обеспечивает питание критического оборудования в аварийных ситуациях: при перегрузке ИБП или внутренней неисправности ИБП. Классическая схема ИБП, содержащая статический байпас приведена на рис.1

Статический байпас VS1 представляет собой быстродействующий статический переключатель, выполненный на двунаправленных тиристорах. В on-line режиме статический байпас выключен и нагрузка питается от инвертора.

Выходные каскады инвертора выполняюся на 2-х силовых IGBT транзисторах, как показано на рис.1. Транзисторы VT1 и VT2 преобразуют постоянное напряжение +/- 400VDC в переменное. В точке B инвертор вырабатывает синусоидальное напряжение, действующее значение которого = 230 В, амплитудное значение = +/- 300 В.

Основной причиной выхода из строя инвертора является неуправляемое включение выходных транзисторов инвертора в следствие действия электромагнитной помехи. Электромагнитная помеха в большинстве случаев возникает при возникновени мощной перегрузки на выходе ИБП, из-за которой ИБП переключается на байпас.

В модульных системах бесперебойного питания с распределенным байпасом данная проблема стоит особо остро, поскольку статический байпас устанавливается внутри самого силового модуля и ток перегрузки, создающий электромагнитную помеху, протекает внутри модуля. В системах с центральным байпасом статический байпас устанавливается в отдельном модуле центрального байпаса и ток перегрузки не протекает через силовой модуль. За счет этого существенно уменьшается негативное действие электромагнитной помехи.

Последовательность событий при возникновении большой перегрузки выглядит следующим образом:

Во время электромагнитной помехи на входах транзисторов VT1 и VT2 возникают импульсы, которые включают эти транзисторы. Импульсная помеха на входах транзисторов VT1 и VT2 может возникать как одновременно, так и в разные моменты времени. Одновременная импульсная помеха включает оба транзистора и является фатальной для обоих транзисторов, но ее возникновение не влияет на работу статического байпаса. Возникновение импульсной помехи только на одном из транзисторов влияет на ток в цепи байпаса. Рассмотрим эту ситуацию на следующем примере более подробно.

Напряжение на входе ИБП имеет синусоидальную форму и его мнгновенное значение лежит в диапазоне от -300В до +300В. Рассмотрим ситуацию, когда импульсная помеха возникает на входе транзисторе VT1 в момент времени, когда мнгновенное значение входного напряжения = -200В. Это напряжение через открытый статический байпас передается в точку В (см. рис.1). Разность потенциалов между точками А и В в этом случае = +400 - (-200) = 600 В. Под воздействием этого напряжения через открытый транзистор начинает протекать нарастающий ток в соответствии с уравнением Киргофа dI=U*dt/L, где dI - изменение тока, U - разность потенциалов (600В), dt - длительность импульсной помехи, L - значение индуктивности дросселя на выходе инвертора. При достаточно больший длительности импульсной помехи значение тока может достигать существенной величины. Например, при индуктивности дросселя L=5 мГн, разнице потенциалов U=600 В, и длительности импульса t=0,5 мс ток через дроссель достигает значения I1 = 60А. Этот ток складывается с током перегрузки I2, проходящим через нагрузку R. Результирующий ток в цепи байпаса соответственно равен I3=I1+I2. Если, например, мнгновенное значение тока на нагрузке R составляет 100А, то ток в цепи байпаса достигает значения 160А. Такой ток может привести к преждевременному перегоранию предохранителя в цепи байпаса F1 и соответственно отключению всей критической нагрузи пользователя.

Импульсная помехи на входе одного из транзисторов может привести как к перегоранию предохранителя F2 в цепи транзистора вместе с самим транзистором, так и к перегоранию предохранителя статического байпаса F1 с последующим отключением критической нагрузки.

Не менее опасны помехи, вызывающие частичное (неполное) включение транзистора, когда ток, протекаемый через силовой транзистор, определяется не внешними параметрами электрических цепей (напряжение, величина сопротивлений и индуктивности), а токами в цепи управления IGBT транзистора. Так, например, если электромагнитная помеха создает выходной ток транзистора 10А, то мощность, рассеиваемая на p-n переходах составляет 10*600 = 6000 ВА. Такая мощность, выделяемая в виде тепла, также представляет смертельную опасность для силовых транзисторов.

Для устранения этих негативных последствий на выходе инвертора устанавливают электромеханический выключатель К2, который при включении статического байпаса размыкает выходную цепь инвертора и возникновение импульсной помехи на входе одного из транзисторов не приводит к появлению критического тока в самом транзисторе.

Однако, время срабатывания электромеханического выключателя К2 составляет несколько десятков мс. Влючение одного из транзисторов в течение этого промежутка времени может так же привести к перегоранию предохранителей инвертора и байпаса.

Для устранения этого недостатка используется двухвходовой статический байпас (см. рис.2).

Двухвходовой статический байпас состоит из двух статических байпасов 1 и 2. Статический байпас 1 подключается так же, как и в классической схеме между входом и выходом ИБП, а статический байпас 2 включается между выходом инвертора и выходом ИБП. Электромеханический выключатель К2 в этой схеме разомкнут и не используется.

В on-line режиме статический байпас 1 разомкнут, статический байпас 2 замкнут и выходное напряжение инвертора через статический байпас 2 подается на нагрузку. При возникновении перегрузки отключается инвертор, выключается статический байпас 2 и включается статический байпас 1. Скорость выключения статического байпаса 2 намного выше скорости выключения электромеханического выключателя К2 и составляет менее 1 мс.

Таким образом, установка двухвходового статического байпаса полностью устраняет негативные действия электроманитных помех на входах силовых транзисторов инвертора и существенно улучшает надежность работы всего ИБП.

Одним из недостатков использования двухвходовых статических байпасов является некоторое снижение КПД ИБП, так как статический байпас 2 в on-line режиме постоянно включен и рассеивает некоторое количество электроэнергии в виде тепла.

Например, при мощности нагрузки 50 кВА ток в цепи байпаса равен 50000/(3*230)=72А. На тиристорах статического байпаса 2 рассеивается мощность 3*1,2*72=260 ВА (1,2 В - напряжение на открытом тиристоре), что составляет 260*100/50000=0,5% от общей мощности ИБП. В результате КПД ИБП снижается примерно на 0,5 % при использовании двухвходового статического байпаса.

Как правило, в ИБП с двухвходовым байпасом имеются настройки, позволяющие пользователю отключить второй байпас VS2 с целью повышения общего КПД ИБП на 0,5%. Однако, это можно делать, только в случае, если пользователь может гарантировать отсутствие больших токов перегрузки и короткого замыкания на выходе ИБП в течение всего времени эксплуатации ИБП. Здесь пользователь сам решает, что для него важнее - повышенная надежность работы оборудования или несущественная экономия электроэнергии.

Выводы

Использование двухвходового статического байпаса позволяет:

1. увеличить скорость переключения ИБП на статический байпас (время переключения < 1 мс.)

2. существенно увеличить надежность работы ИБП при больших перегрузках.

Как недостаток можно отметить увеличение стоимости ИБП и уменьшение КПД ИБП примерно но 0,5%.