強力な二重変換UPS（オンライン）の設計。 パート1

プロローグ

エレクトロニクスが好きで、熱心なすべての人を歓迎したいと思います！ この一連の出版物は、 3.2 kWの電力、そして最も重要なのは出力に純粋な正弦波を備えた強力な無停電電源装置の完全な設計サイクルに当てられます。

私自身について少しお話しします。私は、CNCマシンとライン、およびUPS、電圧安定装置、インバーターなどの強力なパルス装置の生産に携わる企業の電子エンジニアとして働いています。 会社とともに、彼は1 kWから1135 kWのシステムの設計に移行しました。

私の出版物は、電力計算、トレースボード、RF回路、マイクロコントローラSTM32のプログラミング、アルテラのFPGAの基礎に興味のある人に伝えるために、より教育的な内容になります。 そしてもちろん、もっと複雑ですが面白いものがたくさんあります。 始めましょう...

そして、なぜ彼は突然この純粋なサインとUPSを一般的に必要としたのでしょうか？

これらのデバイスは、生産および日常生活の両方で自律システムを作成するために必要です。 私自身、民家の居住者として、電力供給の問題に直面しています。 UPSを使用すると、次のような家のメインシステムが正常に機能することを確認できます。

-暖房システム;
-よく、水中ポンプの操作;
-バックアップホームサーバー。
-ルーターの円滑な運用を保証します。
-家の平凡な照明。

上記のすべては、私たちが直面できる問題です。 それらはグローバルですが、UPSを生産する価値はありますか？ 結局のところ、あなたは光なしで数時間待つことができます！

これは部分的には正しいですが、私は文明世界に住んでいることに慣れています。 それから私達は生産に回る、なぜ予約があるのか​​？ 私の経験から、いくつかの主要な問題について説明します。

-コンベアラインの円滑な運用を確保する必要性。
-停電からデータセンター、企業サーバー、その他のネットワークの自律性を確保します。
-高価な機器を過不足電圧および短絡から保護します。

すべてが片付いているようです！ 決定するのは残っている：「なぜ純粋なサインなのか？」

現代のデバイスの80％にはスイッチング電源が組み込まれているため、+ 310Vの電圧の直流電流をデバイスに供給できるため、この問題は解決しません。 残りの20％が何であるかを理解することは残っています...

基本的に、これらは三相モーター（非同期）が存在するシステムとデバイス、および高精度機器などです。 考えてみると、生産設備の90％がこのカテゴリに分類され、その他にはボイラー設備、床下暖房と暖房の循環ポンプ、井戸ポンプなどの家電製品も含まれます。

設計を行うことは非常に深刻な理由でした！

一連の記事を学習した後、何が得られますか？

私は苦労しませんが、次のデバイスを受け取ります：


図1-3200 WでのUPSのメインパネルの表示

説明：出力では、まさにそのようなデバイスが得られます。 すべてが手動で行われ、最小限の生産に頼りました。 私たちの機器では、ケースのみが作られました-2Uサーバーラックと600 mmの深さの標準。

吸気口で機能する冷却クーラーがパネルにあります。 また、温度フィードバック付きPWMを使用したSTM32F103RBT6に基づく「脳」によって制御されます。 つまり、速度値は、電源スイッチのラジエーターの温度とトランスの温度に依存します。 温度測定は、DS18B20に「昔ながらの方法」で実装され、1-Wireインタフェースを介して通信します。


図2-デバイスのすべてのパラメーターが表示された作業パネルのビュー

デバイスの動作に関するすべてのデータは、ディスプレイに統合されたILI9341コントローラーを介してSPIインターフェースを介して機能する2.4 "TFTパネルに表示されます。動作モードをより明確に表示するLEDスケールが追加されました。

ここで、デバイスのわずかに異なる視点から見てみましょう。

図3-デバイスの背面パネルの図

説明：背面パネルでは、すべてが控えめで機能的です：入力ケーブル用コネクタ、負荷を接続するための4つの「ソケット」、25Aヒューズ、110Aの制限（テスト済み）電流のバッテリー接続端子（メーカーは150Aを発表しました）。

技術仕様

最初に、一般的な機能に関するいくつかのコメント。 まず、オンラインタイプのUPSと同様に、当社のデバイスは電圧安定装置の機能を果たす必要があります。 これが、トップ企業であるシュナイダーエレクトリックが行っていることであり、私は彼らの経験を採用することにしました。 今、特性に...取得するために必要な：

-定格電力：3200 W
-入力電圧範囲：85-265 V（このような数値はシュナイダーによって宣言されています）
-出力電圧：230 V +-3％（つまり、220ではなく230。標準は現在変更されています）
-DCバスの電圧：48 V
-230Vのネットワークでの定格電流：16 A
-DCバスの定格電流：80 A
-開始電流：定格の650％
-過負荷容量：30分間で150％、12分間で200％
-バッテリー寿命：外部バッテリーと時間はバッテリーの数に依存します
-デバイスにリモートでアクセスする機能
-MTBF、少なくとも：120,000時間

デバイスの要件がすべて明確になったら、設計コンセプトを定義し、トポロジを選択する段階に進みます。

デバイスのブロック図を設計する

おそらく、これは設計の最も重要な段階です。 ミスがあると、時間、リソース、お金が大幅に失われるため、このタスクを非常に慎重に、急いで行うことをお勧めします。

考え

1）回路の切り替え（切り替え）の方法を選択する必要があります。 いくつかの方法/タイプがあり、それぞれに長所と短所があります。 典型的なものを検討してください：

a）メカニカルは、電気機械デバイス（ほとんどの場合はリレー）によって回路を切り替える方法です。 長所：シンプル。 短所：信頼性が低く、スイッチング時間が長い（リレーが新品の場合は約0.2秒）、リレーが固着する可能性があり、接点間でアーク燃焼のプロセスが発生します。 これが私たちの方法ではない理由は明らかだと思いますか？ 私たちはまだシュナイダーに焦点を当てています。
b）電子は、ダイオード、トライアック、電界効果トランジスタ、サイリスタなどの機械部品ではなく、スイッチングの手段です。 多くの選択肢がありますが、私の意見で最も適切なのはダイオードバルブです。 長所：シンプル、機械的可動要素の欠如。 短所：追加の熱損失。 私たちの場合、80Aで0.5Vショットキーダイオードをドロップすると、約180Wをさらに消費する必要があり、少なくとも2つのダイオードがあります。 10％K.P.D.の形での損失 私は冒とくを考慮するので、この方法も私たちのものではありません。
c）切り替えの完全な拒否。 実際、なぜ必要なのですか？ 私は多くの感嘆の声を聞いたが、それは通常、 カウチの専門家や無能なエンジニアやアマチュアである。 このスキームによれば、1つの原子力発電所でプロジェクトに取り組んでおり、その容量は750 kWであり、まさにそのようなスキームが存在すると言うことができます。

本質は何ですか？私たちのバッテリーは、単にDCバスのバッファー回路にぶら下がっていて、常に充放電の過程にあります。 それは多くの人を怖がらせますが、あなた自身が1ヶ月間ソファに横になろうとすると、階段を登るのが難しいことに驚くでしょう。 したがって、バッテリーの場合、「トレーニング」する必要があり、したがって、 非常に高速の電流保護を備えている場合、バッファー回路が役立ちます。

長所：安く、陽気で、信頼性が高く、「切り替え時間」または「主電源からバッテリーへの移行時間」の概念がなく、追加の損失がない。 短所：ゲル状態の電解質を含むゲル電池鉛電池のみを使用する必要があります。 これは、たとえば、Delta GXシリーズのバッテリーです。 これは広告ではありませんが、平凡な可用性と適切な品質のために、私がそれらを使用することは歴史的に発展しています。

2）変換回路を選択する必要があります：HF vs LF

あなたはここで際限なく議論することができ、誰もが彼のラインを弾圧します。 多くのメーカーは、10〜150 kHzの周波数での変換を信頼できないと呼んでいますが、これは通常、そのような機器の生産における失敗を正当化しようとする基本的なPRの動きです。 テクノロジーが最良の選択でなかった場合、世界の主要企業はテクノロジーに切り替えず、過去20年間にわたってその改善に取り組んでいなかったと思います。

50 Hzの周波数での低周波数変換のボーナスのうち、生産の単純さ、回路のオーキネス、未熟なユーザーに対する曲がった手に対する高い許容度に注目することができます。

マイナスの...多くがありますが、主なものは単に巨大な次元です！ このスキームに従って1100 kWを作成しようとすると、1.8トンの銅しかありませんでした！ すべてのスケールを想像できると思います。

私はテクノロジーの選択に関する議論を展開しません。 私の同僚の間でさえ、彼は通常、個人への明確な移行を伴う戦いに変わった。 したがって、 高周波数（10〜150 kHz）の変換技術を選択するだけです。

上記の引数と、プロジェクトの実装中に出てくる他の12個の引数に基づいて、次のスキームを取得します。


図4-ダブルコンバージョンUPSの電源セクションのブロック図

表示される手順について少し説明します。

1）入力のほぼ直後に、電圧がPFCに印加されます。これは電力補正器でもあります。 主に損失を減らすために必要なので、単純に必要です。 中国のサーキットおよびほとんどの国内では、まったく提供されていません。これによりコストは削減されますが、デバイスの品質は安全に「2で割る」ことができます。
このパラメーターの詳細とモジュールについては、記事の次の部分でGoogleまたはIが説明します。 私は一つのことを言うことができます-かなり深刻な「マタン」の準備をし、コーシーの不等式を覚えています。

2）次に、85-255VACから48VDCへの最初の変換です。 すぐにいくつかの点に注意してください。 まず、入力電圧範囲が非常に広いため、問題が発生します-電圧が公称値（たとえば、85V）の3倍低い場合、電流は3倍に増加するため、この機能（ オームの法則 ）に留意する必要があります。 これにより、トランスとパワーIGBTキーを計算する際に、電流マージンの最低3倍の余裕が必要になります。

第二に、48Vは理解のためのおおよその値です。 充電状態のバッテリーの電圧は14.2 Vであるため、4個のバッテリーと直列に接続すると、56.8 Vの電圧が得られます。実際には、DCバスの電圧は約57Vになります-これはバッテリーがバッテリーに適用されるように行われます電位がそれ自体よりも高かった場合、電位差があり、電流が流れます。 電流は、潜在的な方向、つまりバッテリーの方向に「流れます」。 DCバスの電位がバッテリーの電位よりも低くなると（たとえば、ネットワークの電圧が消失すると）、それらはエネルギーを放出し始めます（これは、スイッチング方式とスイッチングプロセスがない理由を示しています）。

3）バッテリーは、バッファーゾーンのDCバス上にあります。 なぜ48Vでバッテリーを組み合わせるのですか？ すべてがシンプルです！ 48 Vから給電される場合の電流は約80 Aであり、12 Vから給電される場合、電流は300 Aを超えます。 巨大な価値-巨大な損失。 はい、また、電池は、たとえゲルの電池であっても、この動作モードに感謝の意を表さず、使用可能な10年ではなく、1年で安全に死にます。

4）別のDC-DCコンバーター48-> 380V。動作と回路の原理はこの記事の別の部分で説明しますが、これまでのところ、ネットワークを整流した後に得られる310ではなく380Vのみを説明します。 完全に整形された正弦波信号を静かに損失なくカットするには、380 Vが必要です。 このプロセスの分析を開始すると、そのような株がなぜ選ばれるのかを理解できます。

5）LCフィルター/回路、または4次の科学オーダーローパスフィルター。 PWMを使用して正弦波をカットした後、すべての過剰な高調波、ノイズ、ノイズ、およびその他のデブリを除去し、出力で求められるクリーンな信号を取得する必要があります。 これは1 kHz向けに設計されており、75.8 kHzの変調周波数で+-3 V以下のリップルを得ることができます。これは技術仕様の要件に該当するため、フィルターの次数、したがってその寸法をさらに増やすために、私は単に見ません。

ブロック図には示していないモジュールがいくつか残っています。 なんで？ はい、これらは単にこのデバイスの動作と構造の基本的な理解に影響を与えず、一部は個別の「カースト」です。 私が忘れていたもの：

-制御モジュール、本質的にすべての測定の「頭脳」とSTM32F100RBT6の表示
-純粋な正弦波を形成するためのモジュール。これは別のボードですが、大型のDC-ACユニットに含まれています
-70 Wの電力で一般的なTOP227に低電圧電力（+ 15 V、+ 5 V、+ 3.3 V）を提供するスタンバイ電源モジュール
-バッテリー付き48Vをすべて同じ+ 15、+ 5、+ 3.3Vに変換する非常用電源モジュール。

エピローグ

はい、読者を情報の流れで過負荷にしないために、UPSの設計と自己製造のプロセス全体を少なくとも10の部分に分割する予定です。 何が欲しい？ これは困難で責任あるビジネスです！

ちなみに、上記の各モジュールの全体を取り上げて、コンポーネントを選択し、有利な価格を見つけるためのガイドとして1つの記事を強調する予定です。 トランスとチョークの製造、それらの計算と巻線も別々に考慮されます。 これらすべての手順には、詳細な写真レポートとビューが伴います。

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「心臓」IIPの計算と製造-パルストランス。

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パート4.1
パート4.2
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