Параллельное соединение импульсных блоков питания

Параллельное подключение источников питания для увеличения мощности без ухудшения рабочих характеристик

19 Декабря 2018

Мы продолжаем знакомить читателей с материалами, посвященными базовым понятиям и подходам в использовании источников питания (ИП), современным решениям в данной области и уникальным функциям, помогающим решить самые сложные задачи, возникающие при тестировании. В этом номере ведущий раздела по системам электропитания объединенного блога Keysight Technologies в России Алексей Телегин обсуждает особенности параллельного подключения ИП.

Различные варианты подключения ИП помогают пользователю решать конкретные прикладные задачи. Известны схемы последовательного подключения ИП для получения большего напряжения, а также параллельного подключения — для получения большего тока (следует отметить, что схемы сопровождает список требований и мер предосторожности). Вопрос «Как получить больше мощности от источников питания?» не теряет своей актуальности.

Параллельное подключение нескольких источников питания для увеличения напряжения связано с определенными проблемами, поскольку между источниками всегда будет наблюдаться некоторый дисбаланс напряжений. Поэтому один блок является источником напряжения, а остальные блоки соединены параллельно и работают в режиме стабилизации тока. Для поддержания такого режима предел выходного напряжения всех источников питания, действующих в режиме стабилизации тока (СС), должен быть установлен на большее значение, чем в ведущем источнике питания, находящемся в режиме стабилизации напряжения (CV) (схема на рис. 1).

Рис. 1 Параллельное подключение источников питания для получения большей мощности

При сохранении высокого уровня нагрузки параллельно соединенные блоки работают в соответствующих режимах (в данном случае как минимум 2/3 нагрузки). Но что произойдет, если не удается поддерживать высокий уровень нагрузки? На самом деле при таком подходе можно работать и при меньших нагрузках. В этом случае необходимо установить одинаковый уровень напряжения на всех блоках. Теперь при полной нагрузке блоки будут работать по той же схеме (см. выше), а блок с самым низким значением напряжения — в режиме стабилизации напряжения. Однако при снятии нагрузки более низковольтные блоки перейдут в нестабилизированный режим работы, а блок с наибольшим напряжением будет сохранять общую выходную мощность в режиме стабилизации напряжения. Эта схема показана на рис. 2 для нагрузки в пределах 0–1/3.

Рис. 2. Состояния параллельно подключенных источников питания при малой нагрузке

В результате наблюдается небольшое ухудшение рабочих характеристик. Переход между предельными значениями наименьшего и наибольшего напряжения влияет на регулирование напряжения. Кроме того, поскольку разным блокам питания приходится переключаться между режимами стабилизации напряжения, стабилизации тока и нестабилизированным режимом работы, значительно страдают характеристики напряжения переходных процессов.

Усовершенствованная версия метода параллельного подключения заключается в создании схемы «ведущий-ведомый» с управляющими сигналами для распределения тока между блоками. В источниках питания Keysight серии N5700A и N8700A реализована схема управления, приведенная на рис. 3.

Рис. 3. Параллельное подключение N5700A (используется измерение по 2-проводной схеме)

При такой схеме подключения ведущий блок, работающий в режиме стабилизированного напряжения, выдает аналоговый выходной сигнал программирования по току ведомому блоку, действующему в режиме стабилизации тока. Соответственно, оба блока равномерно распределяют ток нагрузки в широком диапазоне.

Тем не менее схема из нескольких блоков, в которой только один блок работает в режиме стабилизации напряжения, не обеспечивает такой же хорошей динамической характеристики, как один источник напряжения большей мощности. В источниках питания производительной системы питания Keysight Advanced Power System (APS) серии N6900A/N7900A реализован уникальный инновационный подход, обеспечивающий безупречное функционирование параллельно подключенных блоков питания без ухудшения рабочих характеристик. На рис. 4 показана схема параллельного подключения блоков Keysight APS серии N6900A/N7900A.

Рис. 4. Параллельное подключение источников питания APS серии N6900A/N7900A

В схеме параллельного подключения источников питания APS серии N6900A/N7900A также используется аналоговый управляющий сигнал для приведения в действие механизма распределения тока. При этом в данной схеме отсутствуют ведущее и ведомые устройства. Все блоки находятся в режиме стабилизации напряжения при равномерном распределении тока. Это позволяет пользователю легко рассчитать размеры и параметры планируемой системы электропитания без необходимости учитывать возможное ухудшение рабочих характеристик.

Появились вопросы по источникам питания Keysight?

Компания «Диполь» является официальным премиум-партнером Keysight Technologies. Наши сотрудники – высококвалифицированные специалисты, имеющие более чем 25-летний опыт работы в области контрольно-измерительных систем и оборудования. Мы ответим на любые вопросы и подберем необходимые измерительные приборы для решения ваших задач.

Тема: Параллельное сложение импульсных истоников питания

Опции темы

• Версия для печати
• Версия для печати всех страниц
• Подписаться на эту тему…

• Поиск по теме

  Если очевидное становится невероятным, разберитесь — где — то рядом подвох.

  

  Евгений240,
  По принципу разумных компромиссов, диоды лучше не ставить.

  

  Вы МАНЬЯК

  

  Да, если вырываться из контекста, то статья говорит что электрохимические источники тоже нельзя параллелить. А вот с литием, который именно таковым является — это несправедливо.
  Безусловно напряжения нужно уравнивать. И современные блоки это умеют делать неплохо. Я не встречал ни одного импульсника, который бы не проседал при нагрузке 50% от номинала. Диоды городить не нужно, просто можно сделать импровизированный резистор из проводов от БП до нагрузки.

  

  Ну и развезли! Манную кашу по тарелке
  Ещё раз:
  Импульсные БП параллелить можно просто соединив концы.
  Всё прочее — через развязывающие диоды.

  Статью прочитал. Запрета включать параллельно импульсники не нашёл.
  Там сказано, что это возможно, но нежелательно, т.е. один мощный БП лучше кучи маломощных.
  Но это и так было ясно

  

  И ВСЁ, И никакой высокоинтеллектуальн ой бредятины (сори)
  Работало, работает успешно и будет работать!

  От себя к красивым фото UN7RX, добавлю ИБП на станциях
  Вымпелкома. Два по 20 А на 24В в параллель в каждом ИБП
  и куча ИБП в параллель там же! Вот, как то так без гнилых
  теорий.

  Два по два и все в параллель после наводнения у меня,
  пятый год — полёт нормальный!

  

  Наверное можно включать впараллель ИБП так, как здесь советуют. Но только в случае полной безысходности, любой ценой и т.д. В промышленности и в профессиональных применениях используют БП специально сконструированные для возможности включения впараллель. Идея довольно простая. БП в таких группах включаются по схеме master-slave. Один БП — master, остальные — slave. Причем, master работает в режиме стабилизации напряжения, а все slave — в режиме стабилизации тока. В режим СТ переключаются соответствующей коммутацией на разъемах ИБП Задатчиком тока для slave служит датчик тока в master. Таким образом получается, что общий ток нагрузки делится поровну между всеми блоками питания.

  Пример применения именно таких блоков и принципа параллельного соединения (хотя приводилось это, как пример включения впараллель ОБЫЧНЫХ ИБП):

  Во всех трех, приведенных в качестве допустимого и используемого соединения простых ИБП, применяются ИБП, специально ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЕ для этого.

  На втором рисунке, на разъемах БП присутствует сигнал»Параллельно». ..
  http://www.cqham.ru/forum/attachment. 0&d=1472663609

  в третьем примере (с применением МинВэла) и вовсе стоят RSP-1500-xx разработанные для таких применений. В даташите нарисовано, как их включать для параллельной работы
  http://www.cqham.ru/forum/attachment. 1&d=1472664002
  http://www.meanwell.com/mw_search/RS. -1500-spec.pdf

  И ВСЁ, И никакой высокоинтеллектуальн ой бредятины (сори)
  Работало, работает успешно и будет работать!

  От себя к красивым фото UN7RX, добавлю ИБП на станциях
  Вымпелкома. Два по 20 А на 24В в параллель в каждом ИБП
  и куча ИБП в параллель там же! Вот, как то так без гнилых
  теорий.

  О! Ну, это как всегда. Чем меньше знаний, тем больше шума!

  

  

  Я с вами согласен. Это типа как делается в параметрических стабилизаторах — токоограничительные сопротивления в цепях мощного регулирующего транзистора, составленного из нескольких менее мощных, имеющих некоторый разброс параметров. В итоге чем выше ток нагрузки, тем больше одинаковый ток проходит через транзисторы. То есть загружены одинаково. Здесь же достаточно иметь импровизированный «резистор» примерно 0,01-0,02 Ома на выходе каждого БП. Небольшие потери, зато одинаковое распределение нагрузки на БП, особенно при максимальных токах. А прекрасная работа у большинства и получается потому что провода от каждого БП и стали импровизированными резисторами . И соответственно БП получились одинаково нагруженными.

  Добавлено через 11 минут(ы) :

  Для «бытовухи» пойдёт и так. А master/slave, синхронизация плюс 100%-ное резервирование — это в «профи», где играет большую роль высокая надёжность и усложнение оправдано.

  Последний раз редактировалось UN7CDN; 01.09.2016 в 07:34 .

  

  Грамотный ответ был от RV3DLX в 59 посту — ДА можно, но один будет в режиме стабилизации напряжения а остальные тока — практически всегда у включённых параллельно будет отличаться выходное напряжение- совсем немного, но будет. Такие схемы включения именно Импульсных источников (как правильно здесь говорилось — посмотрите их «выходную» схемотехнику) широко используются в профессиональных системах. Из практики:
  в 90х годах будучи инженером Сименса по системам УПАТС, была установлена одна из самых больших УПАТС, которые я видел — в Мосэнерго : около 35 стоек Hicom300, с общей ёмкостью под 20000 портов( в одном месте) , при этом , было несколько ! стоек( 3 или 4, не помню, всё с запасом, читаем далее) только с Блоками питания Farnell(1500ватт, 48в)- в каждой стойке по 15 блоков. ВСЕ эти блоки были включены !параллельно! — конструкторское решение. При этом эти БП питали не только саму УПАТС, но и заряжали резервные АКБ 48в 3000а/ч. Так вот, после аварийных режимов и перехода на АКБ, при возврате на первичное питание, начиналась зарядка этой гигантской ёмкости АКБ- часть блоков питания (2или 3) отключалась ( возможно дефект цепи регулирования) а часть блоков сигнализировала переход в режим стабилизации тока. При этом я лично регулировал выходные напряжения этих БП с точностью до десятка милливольт ( такой прибор был по регламенту).
  Однако, это касается именно импульсных источников.

  Совместная работа нескольких источников питания на одну нагрузку

  www.electrosad.ru

  У многих начинающих заниматься электроникой часто возникают проблемы нехватки мощности (тока) источников питания или недостаточной величины напряжения. Для того чтобы обойти эту проблему часто соединяют несколько источников параллельно или последовательно. Что при этом происходит и как это сделать правильно рассмотрим ниже.

  Общие принципы

  Параллельное и последовательное соединение элементов давно известно и применяется в практической схемотехнике, для получения заданных номиналов элементов. На примере соединения резисторов это выглядит так:

  

  Но резистор или конденсатор имеет только один основной параметр — номинал и вариант соединения просто изменяет их результирующую (суммарную) величину.

  На практике часто используется параллельное (иногда электрохимических) и последовательное соединение источников питания.

  Последовательное соединение используется для увеличения результирующего напряжения, а параллельное — для увеличения суммарного потребляемого тока.

  Последовательное соединение электрохимических источников питания

  При последовательном соединении параметры ( E и Ri) просто суммируются,

  

  Самое главное, Вы должны знать:

  Как я уже говорил, каждый источник питания (любого типа) имеет свои характеристики которые можно свести к статическим и полностью определяющим его характеристики — Ri, U( E ); Эти характеристики химических источников тока могут меняться от экземпляра к экземпляру или со временем случайным образом (они зависят от множества параметров на каждом этапе технологического процесса их производства);

  Не бывает двух абсолютно одинаковых источников питания, как вообще любых электронных компонентов. (хотя для того чтобы как-то ограничить разброс применяется группировка компонентов, по ряду номиналов и ряду точности).

  Поэтому при последовательном соединении продолжительность работы химических источников тока определяется худшим в цепочке. Когда он потеряет емкость, его внутреннее сопротивление возрастет и ограничит потребляемый нагрузкой ток.

  При параллельном соединении все много сложнее.

  Отсюда вытекают большинство возникающих проблем.

  Параллельное соединении электрохимических источников питания

  При параллельном соединении электрохимических элементов (источников) питания, если не принимать мер возникают проблемы.

  Дело в том что эти элементы обладают сразу несколькими параметрами определяющими их характеристики.

  Напряжение (ЭДС) — E , и внутреннее сопротивление — Ri .

  Сразу стоит уточнить, что эти параметры сугубо индивидуальны и поэтому достаточно редко даже в одной партии они повторяются.

  

  Посмотрим рисунок 3, при параллельном соединении двух разных источников питания (электрохимический элемент), имеющих равное внутренне сопротивление (Например 0,25 ом, суммарное 0,5 ) и разное выходное напряжение ( U ₁ =2,2 В, U ₂ =2,1 В, Δ U= 0,1 В ) между ними появляется ток перетекания I _пер равный 0,2 А.

  Этот ток будет существовать даже при выключенной нагрузке, пока напряжение на источниках не сравняется. Когда лучший электрохимический элемент разряжается на худший — это потеря их суммарной емкости.

  Поэтому параллельное соединение отдельных элементов электрохимических источников тока не рекомендуется. Возможно параллельное соединение (резервирование) последовательных батарей элементов с применением специальных устройств защиты (см. рис. 6) от токов перетекания или коммутаторов.

  Фотоэлектрические элементы — элементы солнечных батарей

  Немного иная ситуация получается при параллельном соединении элементов солнечных батарей, которая определяется свойствами самого солнечного элемента. Это генерация тока под действиями квантов света попадающих на плоский p-n переход достаточно большой площади. Солнечный элемент имеет вольт-амперную характеристику подобную полупроводниковому диоду с соответствующими отклонениями присущими p-n переходам большой площади.

  Поэтому для солнечного элемента токи перетекания отсутствуют. Но наличие в параллельно соединенных элементах Δ U, приводит к тому что при малом отборе тока элемент с меньшим напряжением просто отключается. А при высоком отборе мощности ток нагрузки каждого элемента разный и определяется током нагрузки на каждом элементе при данном напряжении нагрузки U. см. рис. 5.

  

  Посмотрим на примере вольт амперной характеристики элемента солнечной батареи, что происходит при их параллельном соединении, как показано на Рис. 1б. Примерный график вольт амперной характеристики приводится ниже.

  

  На рис. 5 видим, что при равном напряжении U н элемент SC3 генерирует ток I ₁ меньший тока генерируемого элементом SC4 равного I ₂ . В результате суммарный ток нагрузки равен:

  То есть при данном U н отдаваемая соединенными параллельно элементами мощность равна:

  Этот требует, чтобы не перегружать лучшие элементы, группировать при параллельном соединении элементы с близкими токами (характеристиками в рабочих точках).

  А еще лучше формировать последовательно соединенные группы элементов на номинальное напряжение с последующим их соединением в параллельные группы заданной мощности.

  Совместная работа батарей химических элементов

  Часто рекомендуют при параллельном подключении батареи электрохимических источников использовать включенные последовательно с каждой батареей диоды, которые предотвратят токи перетекания. Но условия равенства их выходного напряжения (максимальной близости) сохраняется. Это особенно важно именно для электрохимических источников питания, которые имеют ограничения по разрядному току. В случае его превышения сокращается ресурс. Схема включения показана на рис. 6.

  

  Здесь необходимо учитывать, что выходное напряжение такой батареи меньше на 0,3 -:- 0,8В (падение напряжения на p-n переходе диода при его прямом смещении) чем у батареи без защитных диодов. Как видно из величины потери напряжения использовать эту схему для параллельного соединения отдельных элементов не экономично. Велики потери мощности.

  Диоды так же позволяют использовать горячую замену батареи, поскольку при подключении свеже заряженной батареи диод разряженной просто будет заперт.

  Блоки питания

  Свои особенности при параллельном соединении имеют и блоки питания работающие на общую нагрузку.

  Все типы блоков (сетевые 50 Гц и импульсные — в том числе повышающие и понижающие преобразователи постоянного тока в постоянный) содержат в своем составе преобразователь напряжения (трансформатор или электронный импульсный преобразователь с трансформатором) и выпрямляющее устройство на выходе — диодные выпрямители. На рис. 7 показано такое соединение.

  

  В данной схеме, как при параллельном соединении солнечных элементов, не существует статических токов перетекания, они пресекаются диодными выпрямителями которые, как известно, имеют очень большое обратное сопротивление.

  Обязательное условие при таком включении блоков питания это: равенство напряжений и наличие соединения общих точек обоих источников питания показанных на рис. 7 пунктирной линией красного цвета. Это условие определяется, как понятно из сказанного выше, а равномерной нагрузкой каждого источника питания.

  Но она, как любая система, имеет свои особенности.

  Это импульсные токи перетекания при зарядке фильтрующего конденсатора с меньшим напряжением (например U2 ) от БП1, где напряжение больше. После выравнивания напряжения ток перетекания уменьшается до нуля.

  В реальности напряжение на выходе БП1 и БП2 разное. И поэтому рассматриваем работу такой связки учитывая дополнительные параметры показанные на рис 8 .

  

  Известно, что каждый блок питания имеет свое внутреннее сопротивление Ri, а за счет системы стабилизации его величина существенно снижается. Практически Ri определяет КПД блока питания и желательно чтобы соотношение Rн/ Ri было максимальным. Поскольку ток нагрузки блока питания определяется суммой Ri и Rн, а как мы уже знаем Ri -> min, то можно считать, что он целиком определяется R н.

  В связке двух параллельно включенных блоков питания нагружается только тот БП который имеет более высокое выходное напряжение. То есть I н = I ₁ . Это будет продолжаться до тех пор пока выходное напряжение (за счет падения напряжения на Ri ) не начнет падать (система стабилизации не сможет его поддерживать, когда ток нагрузки достигнет максимального, в этом случае начнет расти внутреннее сопротивление нагруженного блока питания Ri. ). Второй БП будет до этого будет работать в режиме холостого хода.

  Такой режим работы нельзя считать нормальным.

  Кроме выравнивания выходного напряжения — известно другое решение проблемы, это включение последовательно с выходом каждого БП небольшого выравнивающего резистора, который как бы увеличивает его внутреннее сопротивление, в результате чего выходное напряжение падает и включается в работу блок питания имеющий меньшее напряжение. Причем их величина одинакова для обоих.

  Величина этого сопротивления от 1% до 10% от R н и зависит от разницы выходных напряжений и мощности нагрузки.

  Недостаток данного решения потери мощности в выравнивающих резисторах.

  Но, для равномерной загрузки, требование максимального сближения U1 и U2 остается.

  Заключение

  В Интернет форумах множество публикаций посвященных параллельному включению и только единичные сообщения о фатальных результатах. эти единичные случаи возможны из-за скрытых неисправностей блоков питания или большой разницы выходных напряжений.

  Параллельное соединение выходных цепей блоков импульсных питания возможно. Но при этом для равномерной загрузки их выходные напряжения должны быть максимально близки. В случае невыполнение этого условия возможна перегрузка БП с большим напряжением.

  Параллельное включение отдельных электрохимических элементов питания недопустимо,

  Параллельное включение батарей электрохимических элементов питания возможно при условии применения защитных диодов в составе каждой батареи,

  Параллельное соединение фотоэлектрических элементов допустимо, но при этом надо учитывать что возможна перегрузка лучших элементов в группе (с наибольшим напряжением), а при большой разнице в выходном напряжении худший элемент может вообще не включаться в работу.

  Обсуждения параллельного включения блоков питания компьютеров :

  Организация параллельной работы источников питания переменного тока

  Распределение тока нагрузки между ИБП

  Для того чтобы два или более ИБП с двойным преобразованием энергии, включенные на общую нагрузку, были загружены в равной степени, необходимо синхронизировать их выходные напряжения по частоте, начальной фазе и амплитуде. Поддержание амплитудного и, как следствие, действующего значения выходного напряжения в современных ИБП обеспечивается с высокой точностью (±1%) этого параметра и в наименьшей степени влияет на дисбаланс распределения общей мощности между параллельно включенными источниками бесперебойного питания. В значительной степени равномерное распределение мощности нагрузки между ИБП зависит от фазовых углов выходных напряжений, что в свою очередь определяется не синхронностью выходных частот ИБП. Различие всего в 1 электрический градус между фазами напряжений на выходе двух ИБП может привести к дисбалансу распределения потребляемой мощности до 50%. Если выходное напряжение одного ИБП сдвигается вперед по фазе, то он принимает на себя большую часть мощности общей для двух ИБП нагрузки. При равенстве амплитуд выходного напряжения это означает возрастание тока, потребляемого от этого ИБП. Чтобы сбалансировать уровень энергии между двумя ИБП, необходимо уменьшить частоту выходного напряжения опережающего по фазе ИБП. В современных устройствах эта корректировка может осуществляться со скоростью 0,1–1,0 Гц/с. Рассмотрим возможные способы организации параллельной работы ИБП.

  Централизованный принцип

  Централизованный принцип представляет собой подчиненное управление ведущим ИБП нескольких ведомых, выходные частоты которых синхронизируются ведущим по выделенному интерфейсу параллельной работы (принцип Master/Slaves). При этом различают подчинение постоянное или переменное во времени.

  Постоянное подчинение характеризуется тем, что один из ИБП назначается постоянно ведущим и отсутствует его резервирование. При выходе его из строя вся система оказывается неработоспособной [1]. Такой способ управления может быть использован только для наращивания мощности системы. Другим примером постоянно подчиненного управления несколькими силовыми модулями ИБП для организации их параллельной работы является многомодульный принцип построения ИБП с выделенным модулем системного управления [2]. Последний предназначен для получения, обработки информации о состоянии и режиме работы силовых модулей, их синхронизации и аварийного отключения. Для повышения надежности системы возможно использование основного и резервного модулей системного управления, образующих спаренную систему управления. При выходе из строя основного модуля управления резервный принимает на себя полностью или частично функции управления системой.

  Переменное во времени подчинение — это приоритетный способ управления, когда ведущему ИБП присваивается высший ранг и он осуществляет синхронизацию ведомых ИБП, аналогично постоянному подчинению. Однако при выходе его из строя маркер приоритета передается следующему назначенному по рангу ИБП и т. д. Такой способ нашел широкое применение при организации параллельного включения трехфазных ИБП.

  Децентрализованный принцип

  Децентрализованный (распределенный) принцип организации параллельной работы ИБП наиболее надежен для построения резервируемой системы бесперебойного питания.

  В этом случае все абоненты (ИБП) являются потенциальными контроллерами канала обмена информацией или осуществляют саморегулирование по адаптивному принципу при отсутствии межмодульного интерфейса.

  Адаптивный принцип

  Адаптивный алгоритм управления инверторами обеспечивает синхронизацию двух ИБП при отсутствии дополнительных интерфейсных каналов связи между ними. Каждый ИБП следит только за своим состоянием и при необходимости корректирует свою частоту. Такой принцип устраняет необходимость идентификации конкретного отказавшего ИБП на уровне системы и не требует применения межмодульного интерфейса. Каждый ИБП отслеживает собственное выходное напряжение так, чтобы его фаза совпадала с фазой другого ИБП. В случае внезапных изменений нагрузки оба ИБП испытают влияние возможной нестабильности и выполнят корректировку частоты. Критерием подстройки частоты может являться знак приращения выходной мощности ИБП. Алгоритм управления инвертором с использованием цифрового сигнального процессора (DSP) заключается в том, что отслеживаются изменения выходного напряжения и тока относительно данных их предыдущих замеров. Опрос осуществляется с частотой 3 кГц [6]. Данные о напряжении и токе сохраняются за последние пять тактов опроса. Усредненные значения на этих пяти тактах U_вых, I_вых сравниваются с текущими значениями U_n, I_n. На основании этой информации микроконтроллер вычисляет приращения dU = U_n – U_вых, dI = I_n – I_вых. Величина и знак произведения dUdI, представляющего изменение потребляемой мощности, определяют, должен ли ИБП продолжить работу в нормальном режиме, скорректировать выходную частоту или быть отключенным из-за неисправности.

  Исправный ИБП при изменяющейся нагрузке, анализируя знаки dU, dI, определяет, что знак произведения dUdI всегда отрицательный. Действительно, с увеличением нагрузки U_n уменьшается, I_n возрастает и, следовательно, dUdI ≤ 0. С уменьшением нагрузки dU увеличивается, dI уменьшается и, следовательно, dUdI ≤ 0. Таким образом, ИБП регистрирует отрицательные значения произведения dUdI, что свидетельствует о его нормальном функционировании. Если произведение dUdI по модулю увеличивается, то ИБП воспринимает это так, что фаза его выходного напряжения опережает фазу другого ИБП, и система управления уменьшит частоту инвертора, чтобы скомпенсировать эту разницу.

  В случае неисправности ИБП значения dU, dI будут иметь один знак и произведение dUdI становится положительным независимо от величины нагрузки. В этом случае ИБП выключает свой инвертор и с помощью автоматического выключателя дополнительного шкафа коммутации отключается от общей шины нагрузки.

  Адаптивный алгоритм управления может обеспечить синхронизацию только двух ИБП при возможности балансировки выходных токов ИБП в пределах 4%.

  Демократический принцип

  Другой реализацией децентрализованного способа организации параллельной работы ИБП является демократический принцип [3]. При таком способе каждый ИБП остается активным в регулировании своего выходного тока, корректируя его таким образом, чтобы приблизить к среднему значению I_ср = I_н / n, где I_н — ток нагрузки, n = N + X — общее число параллельно включенных ИБП, N — минимальное количество ИБП, необходимых для функционирования системы по мощностным показателям, Х — количество резервных ИБП.

  Рассмотрим более подробно реализацию демократического принципа на примере организации параллельной работы однофазных ИБП с двойным преобразованием энергии в диапазоне мощностей каждого ИБП от 6 до 20 кВА [4]. Примерами таких моделей ИБП являются GXT (Liebert), ИДП («Элекромаш») и др.

  Функциональная схема ИБП приведена на рис. 1. В состав силовой цепи ИБП входят: сетевой фильтр (СФ), выпрямитель (В), бустер (Б) — повышающий преобразователь постоянного напряжения, ШИМ-инвертор (И), фильтр высших гармоник (ФВГ), блок реле (БР), тиристоры цепи байпас (ТБ), выходной фильтр (ВФ), выходное реле (ВР), зарядное устройство (ЗУ), аккумуляторная батарея (АБ), тиристор подключения АБ (ТА), реле подключения АБ (РА). Сетевой и выходной фильтры обеспечивают подавление выбросов сетевого напряжения при переходных процессах и осуществляют фильтрацию высокочастотных коммутационных помех. ШИМ-инвертор питается высоковольтным напряжением постоянного тока (700 В) с выхода бустера и выполняется по полумостовой бестрансформаторной схеме на IGBT-транзисторах. Силовые транзисторы управляются высокочастотными (19,2 кГц) ШИМ-сигналами с платы управления. Широтно-импульсная модуляция сигналов осуществляется по синусоидальному закону, что обеспечивает c помощью быстродействующей системы управления инвертором высокую точность выходного напряжения. Синусоидальное выходное напряжение 50 Гц формируется из высокочастотных ШИМ-импульсов с помощью L – С фильтра высших гармоник (ФВГ). Блок реле (БР) и тиристоры цепи байпас (ТБ) осуществляют автоматическое переключение нагрузки напрямую в сеть в случае перегрузки, перегрева или выхода из строя одного из узлов ИБП. Тиристор подключения АБ (ТА) и реле подключения АБ (РА) обеспечивают подключение АБ на вход бустера в автономном режиме работы ИБП.

  

  Рис. 1. Функциональная схема ИБП

  Плата управления (ПУ) обеспечивает необходимый алгоритм работы узлов силовой платы, тестирование состояния, мониторинг и управление ИБП. Все цепи платы управления изолированы от высоковольтного напряжения, присутствующего на силовой плате. Внутрисистемная шина (ВШ) осуществляет связь между платой управления (ПУ) и узлами силовой платы ИБП. Сигналы с платы управления поступают также на плату дисплея (ПД), RS-232 интерфейс и плату параллельной работы ИБП (ППР). 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.

  Рассмотрим более подробно состав и функциональное назначение плат управления и параллельной работы ИБП.

  Плата управления ИБП обеспечивает:

  • необходимый алгоритм работы силовых каскадов ИБП (выпрямителя, бустера, инвертора, статического байпаса, блока реле, зарядного устройства) в различных режимах работы (сетевом, автономном, байпасе, режиме холодного старта);
  • обработку и анализ аналоговых сигналов измерения электрических параметров системы;
  • связь с персональным компьютером по RS-232 интерфейсу и обмен информацией с SNMP-адаптером;
  • организацию обмена данными по CAN-интерфейсу с другими ИБП при их параллельной работе;
  • вывод на плату дисплея сигналов информации о режиме работы ИБП, степени его загрузки, разряженности аккумуляторной батареи (АБ) и возможном аварийном состоянии ИБП.

  Для выполнения указанных функций плата управления (ПУ) содержит основной микроконтроллер (МК1), вспомогательный микроконтроллер (МК2) и аналоговую часть — обвязку для сопряжения входов/выходов основного микроконтроллера (масштабирование, преобразование) с измерительными цепями и цепями управления силовых каскадов ИБП. В качестве микроконтроллера МК1 выбран цифровой сигнальный процессор (DSP) TMS320LF2406A (Texas Instruments) [6], сочетающий высокую эффективность, широкий спектр выполняемых функций и достаточно низкую стоимость. Он обладает системой команд, рассчитанных на решение задач управления в реальном масштабе времени, и мощным набором периферийных устройств и интерфейсов (CAN, SCI, SPI), ориентированных на работу в распределенных системах управления, каковой является система бесперебойного питания с параллельной работой ИБП.

  Другими отличительными признаками выбранного микроконтроллера (МК1) являются:

  1. Наличие двух модулей управления событиями (менеджеры событий), каждый из которых имеет:
     • два 16-разрядных таймера общего назначения;
     • восемь 16-разрядных каналов сравнения / ШИМ;
     • три модуля захвата внешних событий для ввода и временной «оцифровки» импульсных сигналов;
     • блок синхронизации запуска АЦП по периоду ШИМ.
  2. Наличие 10-разрядного 16-канального АЦП с минимальным временем преобразования 0,5 мкс на один канал, включая время выборки.
  3. Обеспечение до 40 индивидуальных программируемых портов ввода/вывода.
  4. Пять входов внешних запросов прерываний.
  5. Низкое потребление энергии при источнике питания 3,3 В.

  

  Рис. 2. Обозначения входных и выходных сигналов МК1

  Наличие встроенных модулей генераторов периодических сигналов ШИМ обеспечивает современные алгоритмы непосредственного управления IGBT-транзисторами инвертора и бустера ИБП. МК1 решает основную задачу формирования алгоритма управления силовыми каскадами ИБП и обеспечения параллельной работы нескольких ИБП на общую нагрузку. На входы МК1 поступают сигналы напряжений и токов различных узлов силовой цепи ИБП (таблица 1, рис. 2).

  Аналоговые входные сигналы параметров системы

  Правила параллельного и последовательного подключения источников
  питания

  Весна красна цветами, а блок питания работой. Народная преобразовательная мудрость

  Очень часто покупатели источников питания задают вопрос о возможности параллельного или последовательного подключения блоков. Такая возможность присутствует во всех моделях источников питания BVP Electronics. Рекомендуем Вам воспользоваться несколькими правилами при подключении двух и более источников питания. При параллельном подключении источников необходимо, чтобы все источники были с одинаковым номиналом выходного напряжения (например, 15В/100А и 15В/10А, на выходе будет 15В/110А). При последовательном подключении источников, необходимо, чтобы все источники были с одинаковым номиналом выходного тока (например, 30В/30А и 15В/30А, на выходе будет 45В/30А). Подключение источников с разными номиналами может привести к выходу из строя блоков. 1. Параллельное подключение источников питания (увеличение выходного тока) Разместите источники питания на рабочем месте, по возможности недалеко друг от друга, обеспечив удобство работы с источниками и условия естественной вентиляции. Установите выключатели «ON/OFF», расположенные на передней панели источников в положение «OFF». Подключите сетевые шнуры питания к разъемам на задней панели корпусов и питающей сети. Соедините выходными шнурами минусовые клеммы источников и отдельно плюсовые (см. рис. 1). При этом рекомендуем воспользоваться предложенной таблицей при выборе сечения выходного шнура (табл. 1). Для получения гарантированных выходных параметров источников на удаленной нагрузке, необходимы соединительные выходные провода такого сечения, чтобы максимальный ток нагрузки создавал падение напряжения не более 0.5 — 1.0 В. Рис. 1 . Параллельное соединение источников питания Выбор сечения выходного шнура в зависимости от величины выходного тока Ток, А 0-5 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Сечение, мм2 0,75 1,0 2,5 2,5 4,0 4,0 6,0 6,0 8,0 8,0 10,0 10,0   Включите питающее напряжение сетевыми выключателями «POWER», находящимися на задних панелях источников. Включите источники питания без нагрузки (переместив тумблеры «ON/OFF» в положение «ON»). Установите регуляторами напряжения «Fine/Coarse» требуемое выходное напряжение, одинаковое на всех источниках. Переключателем «A limit/A out» выберите положение «A limit». Установите регуляторами тока «Fine/Coarse» максимальное или необходимое значение. Переключателем «A limit/A out» выберите положение «A out». Выключите источник (переместив тумблер «ON/OFF» в положение «OFF»). Соблюдая полярность, подключите нагрузку. Включите источник питания (переместив тумблер «ON/OFF» в положение «ON»). О работе источников с нагрузкой будут свидетельствовать зеленые светодиоды на передней панели источников, и показания протекающего тока в цепи нагрузки на цифровых индикаторах амперметров. Если плавно изменять сопротивление нагрузки от бесконечности до нуля, то рабочая точка (рис.2) сначала от оси напряжения (точка холостого хода) первого источника питания (как правило, большего по выходному напряжению) будет перемещаться вправо по горизонтальной линии режима «U1», а затем при достижении тока значения «А limit 1» произойдет переключение первого источника из режима стабилизации напряжения в режим стабилизации тока (загорится красный светодиод) и подключение второго источника питания. Далее рабочая точка будет двигаться по оси напряжения «U2», и при достижении тока значения «А limit 2» произойдет переключение второго источника из режима стабилизации напряжения в стабилизацию тока, режим «I2» (загорится красный светодиод на втором источнике). Далее по вертикальной линии «I2», рабочая точка будет опускаться вниз до оси тока. Точка касания оси тока соответствует короткому замыканию. При изменении сопротивления нагрузки в обратном направлении, переключение режимов произойдет, соответственно, в обратной последовательности. Значение реального выходного тока «А out» будет равно сумме значений «А limit 1» и «А limit 2» и не будет зависеть от изменения нагрузки. От изменения нагрузки будет зависеть только выходное напряжение. Рис. 2 . Вольтамперная характеристики при параллельном подключении двух источников питания Пример параллельного подключения двух источников питания BVP Electronics (45V/20A и 45V/20A) Требуемая выходная мощность нагрузки — 1345 Ватт (42В*32А). Рис. 3 . Параллельное подключение двух источников питания BVP 45V 20A Рис. 4 . Вольтамперная характеристики при параллельном подключении двух источников питания BVP 45V 20A 2. Последовательное подключение источников питания (увеличение выходного напряжения) Последовательное подключение источников питания производства BVP Electronics возможно, но с предварительной подготовкой. Источники питания BVP Electronics, как правило, заземлены по минусовой клемме. Поэтому перед последовательным соединением блоков необходимо отключить заземление источников. При этом, обязательно надо заземлить оборудование, которое они будут питать. Для отключения заземления источников необходимо снять верхнюю крышку прибора (раскрутить четыре винта (в металлических блоках — расположенные по бокам корпуса, в пластмассовых — на ножках источника — рис. 5). Рис. 5 . Расположение винтов на металлическом и пластмассовом корпусах источников питания производства BVP Electronics С левой стороны находится разъем заземления. Для отключения заземления источника необходимо переставить перемычки на средние выводы. На рисунке 6 представлены варианты заземления: по минусовой клемме, плюсовой и без заземления. Заземление по минусовой клемме Заземление по плюсовой клемме Источник питания без заземления Рис. 6 . Расположение перемычки при заземлении/отключении заземления источника питания Закройте крышку корпуса прибора и закрутите винты. В источниках питания отключено заземление. Многие спрашивают, а можно соединить источники питания без отключения заземления? Можно, если подключить источники в сетевую розетку или удлинитель без земли. Но при этом вы должны понимать, что при последовательном соединении источников корпус одного из блоков будет находиться под выходным напряжением второго блока. Следовательно, нельзя располагать источники питания непосредственно вблизи друг друга, чтобы они касались металлическими деталями или корпусами. В целях безопасности работать с такими источниками питания нужно очень аккуратно. Для последовательного соединения источников питания необходимо пользоваться следующими указаниями: Разместите источники питания на рабочем месте, по возможности недалеко друг от друга, обеспечив удобство работы с источниками и условия естественной вентиляции. Установите выключатели «ON/OFF», расположенные на передней панели источников в положение «OFF». Подключите сетевые шнуры питания к разъемам на задней панели корпусов и питающей сети. Соедините выходным шнуром плюсовую клемму первого источника питания с минусовой клеммой второго источника, и подключите минусовую клемму первого источника и плюсовую клемму второго выходными шнурами (см. рис. 7). При этом рекомендуем воспользоваться предложенной таблицей при выборе сечения выходного шнура (табл. 1). Для получения гарантированных выходных параметров источников на удаленной нагрузке, необходимы соединительные выходные провода такого сечения, чтобы максимальный ток нагрузки создавал падение напряжения не более 0.5 -1.0 В. Рис. 7 . Последовательное соединение источников питания (выходное напряжение 58В, выходной ток 3А) Включите питающее напряжение сетевыми выключателями «POWER», находящимися на задних панелях источников. Включите источник питания без нагрузки (переместив тумблер «ON/OFF» в положение «ON»). Установите регуляторами напряжения «Fine/Coarse» требуемое выходное напряжение, одинаковое на всех источниках. Переключателем «A limit/A out» выберите положение «A limit». Установите регуляторами тока «Fine/Coarse» максимальное или необходимое значение. Переключателем «A limit/A out» выберите положение «A out». Выключите источник (переместив тумблер «ON/OFF» в положение «OFF»). Соблюдая полярность, подключите нагрузку. Включите источник питания (переместив тумблер «ON/OFF» в положение «ON»). О работе источников с нагрузкой будут свидетельствовать зеленые светодиоды на передней панели источников, и показания протекающего тока в цепи нагрузки на цифровых индикаторах амперметров. Если плавно изменять сопротивление нагрузки от бесконечности до нуля, то рабочая точка (рис.8) сначала от суммарной оси напряжения (точка холостого хода) первого и второго источника питания будет перемещаться вправо по горизонтальной линии режима «U1 + U2», а затем при достижении выходным током значения «А limit 2» (по меньшему значению установленного тока) произойдет переключение — из режима стабилизации напряжения в режим стабилизации тока «I2» (загорится красный светодиод). Рис. 8 . Вольтамперная характеристики при последовательном подключении двух источников питания Далее по вертикальной линии «I2», рабочая точка будет опускаться вниз до оси тока. При этом, при достижении горизонтальной оси напряжения «U1» произойдет переключение протекающего тока на значение «А limit 1». Точка касания оси тока соответствует короткому замыканию. При изменении сопротивления нагрузки в обратном направлении, переключение режимов произойдет, соответственно, в обратной последовательности. Работать с последовательно или параллельно соединенными источниками питания в целях безопасности следует очень аккуратно. При эксплуатации источников без заземления большая вероятность выхода источников из строя. Если у Вас возникли вопросы по работе с импульсными источниками питания, коллектив BVP Electronics поможет вам! Звоните, пишите, мы всегда Вам рады!