Е.А. Обжерин, ведущий инженер ООО "Промсвязьдизайн"


Основной проблемой в процессе использования большинства современных устройств связи является надежность и качество питающей сети переменного тока. Многие отечественные и зарубежные производители электропитающего оборудования предлагают широкий спектр источников бесперебойного питания, среди которых отдельное место занимают инверторные системы, преобразующие постоянное напряжение базового источника в переменное напряжение частотой 50 Гц. На объектах связи предпочтительнее применение инверторных систем, а не комплектных (UPS), поскольку на объектах связи всегда имеется сравнительно большая аккумуляторная батарея с наличием резерва емкости.

Применение инверторных систем

Современные инверторы имеют высокие энергетические и качественные показатели - малые нелинейные искажения выходного напряжения (практически идеальная синусоида), высокие нагрузочные пик-факторы. Инверторы могут использоваться автономно (один инвертор питает ответственные потребители энергии и резервируется электронным или механическим, как правило, встроенным байпасом), а также могут образовывать большие инверторные системы с несколькими параллельно включенными инверторными модулями с общим внешним байпасом. В последнем случае надежность инверторной системы значительно возрастает и возникает возможность масштабирования выходной мощности путем изменения числа инверторных модулей.

Для нормального функционирования потребителей электроэнергии (в том числе и компьютеров) обычно не предъявляются высокие требования к форме питающего переменного напряжения. Для подобных потребителей были разработаны и получили широкое распространение простые и дешевые инверторы с квазисинусоидальной (меандр или многоступенчатой) формой напряжения на выходе. Как правило, надежность таких инверторных систем повышается за счет использования байпасов, работающих в режиме off-line, в котором нагрузка постоянно подключена к сетевому напряжению, и только при аварии или пропадании сети байпас подключается к инвертору. Однако имеется широкий спектр оборудования, где требуется качественная форма синусоиды. Для достижения идеального синусоидального выходного напряжения используются более дорогие инверторные системы. Байпасы в таких системах преимущественно работают в режиме on-line, в котором нагрузка постоянно подключена к выходу инвертора, но при возникновении аварийной ситуации в инверторе или при пропадании напряжения на входе инвертора байпас переключает нагрузку на сеть.

Независимо от того, каким образом строится инверторная система для аппаратуры связи и какие качественные и энергетические показатели она имеет, у нее есть отличительная черта. При использовании инверторов в телекоммуникационных системах на них помимо стандартных требований накладываются жесткие требования по качеству потребляемого тока от шин постоянного напряжения. И это неудивительно, поскольку инвертор подключается непосредственно к шинам питания телекоммуникационного оборудования и любые искажения, вызванные его работой, могут неблагоприятно отразиться на качестве связи. Далеко не все системы производителей как зарубежных, так и отечественных могут удовлетворить основному требованию для аппаратуры связи - ограничению по пульсациям напряжения на шинах постоянного тока, обусловленным характером потребляемого тока. Прерывистый потребляемый ток вызывает низкочастотную помеху, кратную выходной частоте инвертора, подавить которую традиционными фильтрами не просто. При этом существенную роль играют параметры токораспределительной сети и сопротивление батареи или ее емкость. В ряде случаев для решения этой проблемы к инвертору приходится подключать дорогой, громоздкий и сопоставимый по размерам с самим инвертором низкочастотный фильтр.

Инвертор с двойным преобразованием энергии

Устранение проблем, связанных с прерывистым током потребления, возможно при использовании схемы инвертора с двойным преобразованием энергии, в которой сначала постоянное напряжение аккумуляторной батареи повышают до 350-400 В, а затем его инвертируют в переменное напряжение 220 В.

Повышающий DC/DC-преобразователь

Напряжение от аккумуляторной батареи поступает на вход повышающего преобразователя DC/DC, который создает на входе мостового инвертора постоянное напряжение 350 В. За счет использования трансформатора, входящего в состав DC/DC-преобразователя, обеспечивается потенциальная развязка между входными и выходными шинами инвертора. Высокая рабочая частота DC/DC-преобразователя позволяет уменьшить размеры развязывающего трансформатора и тем самым повысить удельную мощность инвертора.

Мостовой инвертор

Мостовой инвертор с выходным фильтром L-C, работающий в режиме широтно-импульсной модуляции по синусоидальному закону, преобразует постоянное напряжение в переменное с действующим значением напряжения 220-230 В. Применение мостовой схемы, работающей в режиме широтно-импульсной модуляции по синусоидальному закону, допускает функционирование инвертора на ярко выраженную индуктивную или емкостную нагрузку без использования дополнительных цепей для компенсации реактивной мощности.

Алгоритм подавления пульсации

Существенное улучшение 100-герцовых пульсаций потребляемого тока достигается путем изменения структуры типового контура обратной связи DC/DC-преобразователя и мостового инвертора. В частности, в контуре обратной связи по напряжению преобразователя DC/DC стабилизируется сигнал, представляющий собой сумму сигнала, пропорционального выходному напряжению, и сигнала, пропорционального 100-герцовой составляющей входного тока инвертора. При такой организации контура обратной связи система будет подавлять 100-герцовую составляющую во входном токе путем увеличения 100-герцовой пульсации напряжения на выходе преобразователя DC/DC. Основные сложности в подобной системе с обратной связью представляют динамические процессы, обусловленные сбросом и повышением нагрузки, при которых возможны колебательные процессы или выброс напряжения на выходе DC/DC-преобразователя. Подавление этих колебаний осуществляется как правильным расчетом параметров обратных связей в системе управления DC/DC-преобразователя, так и введением дополнительных обратных связей в системе управления мостовым инвертором. В обратной связи по напряжению в системе управления мостовым инвертором вводится дополнительный контур, в котором отслеживается дифференциальная составляющая входного напряжения мостового инвертора, и в коэффициент усиления системы вносятся изменения обратно пропорциональные изменению входного напряжения мостового инвертора.

Применение схем с двойным преобразованием энергии и алгоритмов подавления низкочастотных пульсаций позволяет отказаться от использования больших низкочастотных фильтров.

Выводы

Современные инверторы для питания телекоммуникационного оборудования должны соответствовать жестким требованиям по качеству потребляемого тока от шин постоянного напряжения. В традиционных инверторах с однократным преобразованием энергии необходимо использовать громоздкие фильтры для подавления пульсаций входного тока, имеющих частоту, кратную частоте переменного выходного напряжения. Применение двухступенчатой структуры и специальных алгоритмов управления позволяют существенно уменьшить габариты и вес устройства с сохранением высокого качества потребляемого тока.