Дельта-трансформатор

Технология дельта-преобразования APC Silcon
11.
Технология дельтапреобразования APC Silcon
Аннотация. В данной статье рассматриваются
схемотехнические решения, заложенные в технологии
источников бесперебойного питания (ИБП) с дельтапреобразованием APC Silcon, а также дается
техническая информация о некоторых преимуществах
их конструкции. Статья составлена по материалам
семинаров, проводимых во всем мире для технических
консультантов.
Содержание
1.
Общая характеристика ........................ 1
2 Стандартная блок-схема ......................... 2
Основные компоненты .................................... 2
Основной инвертор: .......................................... 2
Дельта-инвертор: .............................................. 2
Дельта-трансформатор .................................. 2
Входные и выходные фильтры ........................ 2
Конденсатор в цепи постоянного тока ......... 2
Электронные ключи .......................................... 2
Главный электронный ключ ............................ 2
3.
Функциональное описание дельтапреобразования .................................................. 3
Нормальный режим .......................................... 3
Основные управляющие контуры ИБП ....... 3
4.
Примеры работы контуров ................ 4
Нормальный режим .......................................... 4
Работа при пониженном напряжении электросети
............................................................................... 4
Работа при повышенном напряжении электросети
............................................................................... 4
Операция зарядки батарей .............................. 4
5.
Гармонические токи импульсных
источников питания в нагрузке ................... 5
6. 200-процентная перегрузка ...................... 5
7.
Коэффициент мощности на входе и
гармоники ............................................................. 5
8.
Воздействие импульсной помехи на
входе системы ..................................................... 6
9.
Совместимость с генераторами ....... 6
10. Схема автоматического шунтирования
цепи постоянного тока .................................... 7
Дата печати: 29-Apr-16
Страница 1 из 13
Осциллограммы рабочих характеристик
7
12.1. Схема электропитания .....................9
12.2. Схема управляющих контуров ... 10
13. Принципы широтно-импульсной
модуляции (ШИМ) .......................................... 11
14. Принцип работы 4-квадрантного
инвертора ............................................................ 12
1.
Общая характеристика
В семействе ИБП APC Silcon воплощены
последние достижения электроники электропитания,
включая запатентованную конструкцию онлайнового
ИБП с дельта-преобразованием.
Термин «Дельта-преобразование» используется
при описании запатентованной технологии онлайнового
ИБП APC Silcon, предусматривающей преобразование
только разницы ("дельты") между входным и выходным
сигналами и обеспечивающей чисто синусоидальную
форму выходного напряжения.
Его электронные схемы являются примером
новаторского подхода к конструированию онлайновых
ИБП, и настоящий документ предназначен для
инженеров, желающих ознакомиться с принципами их
работы.
Запатентованная технология ИБП с дельтапреобразованием APC Silcon обеспечивает:
 Топологию истинно онлайнового ИБП.
 Полностью регулируемое выходное напряжение.
 Выходное напряжение чистой синусоидальной
формы.
 Максимальную защиту против всплесков, скачков,
перепадов и отключений напряжения.
 Единичный входной коэффициент мощности.
 Менее 5% гармонических искажений входного
тока.
 Отличную совместимость с генераторами.
 Высокий КПД.
 Единичный выходной коэффициент мощности (кВт
= кВА).
 Поддержку нагрузок с высоким пиковым
коэффициентом формы тока (до 8:1).
 Сохранение
работоспособности
при
200процентной перегрузке.
 Параллельное подключение до 9 источников для
расширения или резервирования.
Дополнительную информацию можно найти в
технических описаниях и документации поддержки
продуктов.
 American Power Conversion
Технология дельта-преобразования APC Silcon
2
Стандартная блок-схема
Электронный шунт
Электросеть
Шунтирующий
электронный ключ
Основной
электронный
ключ
Выходной
контактор
Конденсатор
Фильтр
Контактор
обратной
связи
Фильтр
Дельтатрансформатор
Дельтаинвертор
Батарея
Основные компоненты
Основной инвертор:
Представляет собой 4-квадрантный инвертор на
транзисторах с изолированным затвором (IGBT),
использующий широтно-импульсную модуляцию.
Является источником стабильного напряжения,
регулирующим напряжение нагрузки.
Основные его функции следующие:
 Контролирует выходное напряжение
 Заряжает батареи
 Питает нагрузку при работе от батарей
Дельта-инвертор:
Представляет собой 4-квадрантный инвертор на
транзисторах с изолированным затвором (IGBT),
использующий широтно-импульсную модуляцию.
Является
источником
переменного
тока,
регулируя входной ток системы.
Основные его функции следующие:
 Контролирует амплитуду и синусоидальную
форму входного тока.
 Управляет зарядкой батарей.
 Сглаживает разницу входного и выходного
напряжения.
 Корректирует коэффициент мощности на
входе.
Дельта-трансформатор
Устанавливается между входом и выходом ИБП и
является элементом, через который протекают все
входные токи ИБП. Форма, фаза и амплитуда тока
контролируются дельта-инвертором.
Основной
инвертор
Нагрузка
обеспечивает
энергетический
запас
для
сглаживания высокочастотных колебаний в цепях
постоянного тока и защищает батарею от их
влияния.
Электронные ключи
 Электронные ключи состоят из тиристоров,
включенных
параллельно
в
противоположных направлениях.
 Предусмотрена установка двух электронных
ключей: для электросети и для обходного
соединения (шунта).
 Шунтирующий электронный ключ должен
обеспечивать мгновенное переключение на
питание от первичного источника в случае
перегрузки или отказа инвертора.
 Главный электронный ключ гарантирует,
что ток ИБП не будет направлен в первичный
источник во время работы от батареи при
сбое питания электросети.
Главный электронный ключ
1. Каждый тиристор управляется отдельно.
После открывания тиристор ведет себя как
диод, пока не прекратится протекание тока.
2. Раздельное
управление
тиристорами
возможно
только
при
единичном
коэффициенте мощности на входе.
3. Этим обеспечивается отсутствие обратной
связи ИБП при коротком замыкании
первичного источника.
Входные и выходные фильтры
Фильтры
используются
для
подавления
гармонических составляющих напряжения и тока,
вызываемых нагрузкой и импульсной модуляцией
в инверторе.
Конденсатор в цепи постоянного тока
Банк
электролитических
конденсаторов,
подключенных параллельно пакету батарей,
Дата печати: 29-Apr-16
Выходной
фильтр
Страница 2 из 13
Главный
электронный ключ
U
I
Интервал 2
Интервал 1
1
2
Представьте, что короткое
замыкание сети произошло в
интервале 1.
Тиристор 2 будет выключен
и не пропустит ток в
замкнутую цепь.
Тиристор 1 пропускает ток в
ИБП,
но
закрыт
в
противоположном
направлении, работая как
диод.
 American Power Conversion
Технология дельта-преобразования APC Silcon
3.
Функциональное описание дельта-преобразования
Нормальный режим
Главный инвертор ИБП поддерживает строго синусоидальную форму выходного напряжения со
среднеквадратическим значением 380/400/415 В.
Дельта-инвертор управляет
Шунтирующий электронный ключ
входным током, обеспечивая
Рис. 3.1
единичный
коэффициент
мощности и синусоидальную
Точка баланса
мощности
форму входного сигнала.
Главный
"Точка баланса мощности"
электронный ключ
является узлом с тремя
подведенными
ветвями,
иллюстрирующим
закон
Кирхгофа: "Сумма входящих и
выходящих токов в узле
Дельтаравняется нулю". К узлу
трансформатор
Нагрузка
ДельтаГлавный
подходят токи по следующим
инвертор
инвертор
ветвям:
Батарея
 Входной ток от дельтатрансформатора.
 Выходной ток к нагрузке.
 Выход главного инвертора, поглощающего или добавляющего энергию в узел для поддержания
необходимого баланса.
Пример.
 Нагрузка потребляет 100 кВт в "точке баланса мощности"
 Дельта-инвертор обеспечивает в "точке баланса мощности" мощность 101 кВт.
 Главный инвертор для сохранения выходного напряжения на постоянном среднеквадратическом
уровне 415 В должен перенаправить избыточный 1 кВт мощности обратно в батарею, заражая ее.
Главный инвертор в этом случае выполняет функции выпрямителя/зарядного устройства.
Основные управляющие контуры ИБП
Управляющий контур главного инвертора отслеживает выходное напряжение ИБП, сохраняя его
синусоидальную форму при номинальном среднеквадратическом уровне.
Управляющий контур дельта-инвертора отслеживает напряжение батареи и эффективно управляет
"точкой баланса мощности". В приведенном выше примере главный инвертор направляет 1 кВт на
подзарядку батареи, причем напряжение батареи постепенно стремится к корректному напряжению
зарядки. При этом мощность, поступающая в "точку баланса мощности" от дельта-инвертора, должна
быть уменьшена для сохранения равновесия системы.
Рис. 3.2
Шунтирующий
электронный ключ
Точка баланса
мощности
Главный
электронный ключ
Контактор
обратной
связи
Дельтатрансформатор
Контур обратной связи для
зарядки батарей и
регулировки входного тока.
Управляет широтноимпульсной модуляцией
Дельта-инвертора.
Дата печати: 29-Apr-16
нагрузка
Датчик Uбат
Датчик Uвых
sense
Страница 3 из 13
Контур обратной связи для
регулировки выходного
напряжения.
Управляет широтноимпульсной модуляцией
Дельта-инвертора.
 American Power Conversion
Технология дельта-преобразования APC Silcon
Примеры работы контуров
Нормальный режим
На рис. 4.1 показан режим работы
при номинальном напряжении сети
идеальной синусоидальной формы с
корректным
среднеквадратическим
значением, и от ИБП требуется совсем
немногое.
Обратите
внимание,
что
процентные величины даны в качестве
наглядных
примеров:
в
частности,
произведение 115% напряжения и 85% тока
математически не равно 100% мощности!
Работа при пониженном напряжении
электросети
На рис.4.2 показан режим работы
при пониженном на 15% напряжении
электросети. Для получения требуемой
100-процентной мощности на выходе
дельта-нивертор увеличивает входной ток
на
15%.
На
выходе
напряжение
формируется главным инвертором и
составляет 100%. Дополнительные 15%
тока в "точке баланса мощности"
преобразуются главным инвертором в
постоянный ток, затем дельта-инвертором
обратно в переменный, и полученная
мощность используется для сглаживания
разницы
напряжения
на
дельтатрансформаторе.
.Двойное преобразование разницы между
входным и выходным напряжением
Работа при повышенном напряжении
электросети
На рис.4.2 показан режим работы
при повышенном на 15% напряжении
электросети. Для получения недостающих
15% тока в "точке баланса мощности"
энергия берется из дельта-трансформатора,
преобразуется
дельта-инвертором
в
постоянный
ток,
затем
главным
инвертором  обратно в переменный.
Полученная
мощность
обеспечивает
равновесие в "точке баланса мощности".
Двойное преобразование разницы между
входным и выходным напряжением
Операция зарядки батарей
На рис. 4.4 показан режим работы с
зарядкой батарей при номинальном
напряжении
сети.
Дельта-инвертор
"чувствует", что напряжение батареи стало
ниже
номинального
напряжения
подзарядки. Через трансформатор дельтаинвертора в "точку баланса мощности"
поступает дополнительный 10-процентный
ток, который преобразуется главным
инвертором в постоянный ток зарядки
батареи.
Напряжение 100%
100%
100%
Ток 100%
100%
100%
Мощность 100%
100%
100%
0%
(0%)
(0%)
Дельтатрансформатор Дельтаинвертор
Главный
инвертор
Точка
сложения
сигналов
Рис. 4.1
Напряжение 85%
15%
100%
100%
Ток 115%
115%
100%
Мощность 100%
115%
100%
15%
15%
Дельтатрансформатор Дельтаинвертор
Главный
инвертор
Точка
баланса
мощности
Рис. 4.2
Напряжение 115%
15%
100%
100%
Ток 85%
85%
100%
Мощность 100%
85%
100%
15%
15%
Дельтатрансформатор Дельтаинвертор
Главный
инвертор
Точка
баланса
мощности
Рис. 4.3
Напряжение 100%
100%
100%
Ток 110%
110%
100%
Мощность 110%
110%
100%
0%
10%
(0%)
Дельтатрансформатор Дельтаинвертор
10%
4.
Главный
инвертор
Точка
баланса
мощности
Рис. 4.4
Дата печати: 29-Apr-16
Страница 4 из 13
 American Power Conversion
Технология дельта-преобразования APC Silcon
5.
Гармонические токи импульсных источников питания в нагрузке
Подавление в ИБП гармоник
нагрузки, свойственных, как правило,
традиционным
импульсным
источникам питания компьютеров,
происходит по рассмотренному выше
сценарию (см. раздел 3).
Типичная осциллограмма тока,
потребляемого
нагрузкой
с
импульсным источником питания в
"точке баланса мощности", изображена
на рис.5. Входной ток дельтаинвертора остается синусоидальным.
Следовательно, главный инвертор
должен отслеживать разницу между
двумя сигналами, причем энергия
гармоник накапливается в большом
блоке
электролитических
конденсаторов,
подключенном
параллельно батарее. Этот принцип
аналогичен
"активным
фильтрам
гармоник", активно завоевывающим
рынок.
6. 200-процентная перегрузка
В нормальном рабочем режиме
ИБП
Silcon
выдерживает
200процентную перегрузку в течение 60
секунд. такой высокий показатель
достигается распределением мощности
по двум контурам, изображенным на
рис.6. Входной ток ИБП ограничен
значением 133% (рассчитанным на
поддержание мощности, необходимой
ИБП для работы при пониженном на
15% напряжении и полном токе заряда
батареи, с учетом тепловых потерь).
Энергия,
необходимая
для
поддержки
200-процентной
перегрузки, берется от батареи.
В режиме работы от батареи
допускается
150-процентная
перегрузка в течение 30 секунд.
Ток нагрузки
Ток главного
инвертора
Входной ток
Главный инвертор
поглощает
гармоники нагрузки
Дельта-инвертор
обеспечивает
синусоидальный
входной ток,
к.м.=1
Дельтатрансформатор
Рис. 5
Рис. 6
Дельтаинвертор
Главный
инвертор
Ток нагрузки
насыщен
гармониками
Точка баланса
мощности
<133% от электросети
Figur
e
6
Fil
er
Дельтатрансформатор
Главный
инвертор
Дельтаинвертор
Точка баланса
мощности
Разница от батареи
Дельтатрансформатор
Дельта-инвертор
Синхр
сигнал
~
Датчик I~
Эталон
синусоиды
Схема
управления
дельтаинвертором
Упр. ШИМ
Датчик U=
sense
Эталон U=
Главный
инвертор
Точка баланса
мощности
Батарея
7.
Коэффициент мощности
на входе и гармоники
Вся входная мощность проходит через дельта-трансформатор, ток которого полностью
контролируется дельта-инвертором. Дельта-инвертор  четырехквадрантный, управляемый с помощью
ШИМ. Он формирует входной ток от первичного источника, обеспечивая его синусоидальную форму и
совмещение по фазе с напряжением электросети. В результате гарантируется единичный коэффициент
мощности, а также значение коэффициента гармонических искажений тока менее 5%.
Схема управления дельта-инвертором генерирует последовательность импульсов ШИМ на
основании результатов сравнения следующих параметров:
1
Напряжения в цепи постоянного тока, снимаемого с батареи, и эталонного постоянного
напряжения. Этим определяется значение мощности, пропускаемой через дельта-трансформатор.
2
Реального входного тока (с датчика I~) и сигнала эталонного гармонического генератора,
синхронизированного с напряжением первичного источника, что гарантирует синусоидальную форму
входного переменного тока, а также его согласование по фазе с напряжением сети.
Дата печати: 29-Apr-16
Страница 5 из 13
 American Power Conversion
Рис. 7
Технология дельта-преобразования APC Silcon
8.
Воздействие импульсной помехи на входе системы
ИБП с дельта-преобразованием APC Silcon 
истинно онлайновый ИБП, поддерживающий
стабильный сигнал на выходе независимо от
масштаба колебаний сетевого напряжения.
Никакие флуктуации или отключения не дойдут
до ответственной нагрузки. Кроме функции
резервного питания от батареи, ИБП APC Silcon
DP300E действует в качестве эффективного
фильтра.
На осциллограммах (рис. 8.1) показано, как
всплеск
напряжения,
наблюдаемый
в
напряжении
сети,
в
ходе
испытаний
эффективно подавляется.
Канал 1 Входное напряжение Рис. 8.1
Всплески сетевого напряжения подавляются
следующим образом:
 Стабильное
выходное
напряжение
ИБП
поддерживается
главным
инвертором,
обеспечивающим низкое сопротивление на выходе.
 Управляемый током дельта-инвертор образует
высокое сопротивление между входными и
выходными цепями ИБП.
 Схема индуктивно-емкостных (L-C) фильтров на
входе и выходе ИБП, а также самого механизма
дельта-преобразования, показана на рис.8.2.
Разделительный фильтр
L1
Вход
Дроссель
подавления
радиочастот
Дельта-трансформатор со
встроенной функцией
дросселя
Выходной
дроссель
L1
радиопомехи
радиопомехи
(x)
Рис. 8.2
ЭМС < 150kHz
AC1
AC2
(x)
Выход
N
N
радиопомехи
радиопомехи
(y)
(y)
GND
GND
Идеальный генератор тока: все гармоники тока с
частотой свыше ~50 Hz и гармоники ШИМ на частотах
8 - 16 кГц подавляются в AC1 и AC2 вследствие
высокого сопротивления дросселей. Тот же принцип
относится к остальным фазам: L2 и L3
Электромагнитное излучение и помехоустойчивость
DP300E соответствуют европейскому стандарту
EN 50091-2.
Канал 2 Выходное напряжение
9.
Фильтр пятого порядка для
подавления высокочастотных
возмущений
Совместимость с генераторами Следующий тест демонстрирует работу полностью
ИБП Silcon обладает отличной совместимостью
с генераторами по следующим причинам:
 Очень низкие гармонические искажения
входного тока: <5% на тестовой нагрузке
 Единичный коэффициент мощности на
входе (>0,98 на тестовой нагрузке)
 Настраиваемое
частотное
"окно"
синхронизации:  0,5%,  1%, 2%,  4%, 
6% и  8%.
 Настраиваемая
допустимая
скорость
изменения частоты: ¼, ½, 1, 3 или 4 Гц/с.
 Настраиваемый период "мягкого" старта: 0,
10, 20 или 40 секунд
Таким образом, ИБП нетрудно настроить для
правильного взаимодействия с генератором.
нагруженного ИБП на 480 кВт с резистивной
нагрузкой после подключения к генератору на 500
кВт, с 10-секундным линейным "мягким" стартом.
При "мягком" старте частота генератора падает с 50 до
~49.7 Гц, стабилизируясь на уровне 50 Гц после
завершения процесса подключения нагрузки.
График 1
График 2
Более полная информация о режимах работы
ИБП Silcon UPS с генераторами представлена в
техническом руководстве “Silcon DP300E and
Diesel generator", артикул 7NS0003GB.
График 1: Входной ток ИБП (0-100%) при "мягком" старте
График 2: Колебания частоты дизельного генератора при
"мягком" старте.
Дата печати: 29-Apr-16
Страница 6 из 13
 American Power Conversion
Технология дельта-преобразования APC Silcon
10.
Схема автоматического шунтирования цепи постоянного тока
По замыслу разработчиков, схема автоматического шунтирования  последнее средство
защиты нагрузки от отказа цепей постоянного тока, например, при коротком замыкании транзистора. В
этих случаях срабатывает тиристор схемы автоматического шунтирования, нагрузка ИБП переключается
на обходной контур, а выходная цепь постоянного тока замыкается, что способствует отключению
батареи предохранителем или ручным прерывателем. Таким образом, источник постоянного тока
принудительно удаляется из ИБП.
Автоматический шунт
к выходу 3фазного
ИБП
3-фазный
дельтатрансформатор
N
Главный инвертор
Дельта-инвертор
11.
Осциллограммы рабочих
характеристик
Осциллограммы получены на заводском тестовом
полигоне Silcon.
Осциллограмма 1
Сбой электросети
Показан момент сбоя первичного источника
при полной нагрузке. ИБП переходит в режим
работы от батареи.
Осциллограмма 1
Нормальный режим
Осциллограмма 2
Обходной режим
Характеристики в момент переключения из
нормального режима в режим шунтирования.
Осциллограмма 2
Нормальный режим
От батареи
Входное
напряжение
Входной
ток
Выходное
напряжение
Дата печати: 29-Apr-16
Обходной режим
Входное
напряжение
Входной
ток
Выходное
напряжение
Выходной
ток
Выходной
ток
Сбой
электросети
при 100процентной
нагрузке
Отказ
инвертора
при 100процентной
нагрузке
Страница 7 из 13
 American Power Conversion
Технология дельта-преобразования APC Silcon
Осциллограмма 3.
Мгновенное
подключение полной нагрузки
Характеристики ИБП при мгновенном
подключении полной нагрузки.
Осциллограмма 3
Осциллограмма 5.
Короткое замыкание на
выходе ИБП
Срабатывание предохранителей выходных цепей
ИБП во время работы от батареи. Наблюдается
150-процентный порог тока.
Осциллограмма 5
Входное
напряжение
Выходное
напряжение
Выходное
напряжение
Выходной
ток
Входной
ток
Выходные цепи короткое
замыкание срабатывание
предохранителей
при работе от
батареи
Выходной
ток
Мгновенное
подключение
нагрузки
100%
Осциллограмма 6.
Короткое замыкание на
входе ИБП
Замыкание на входе равносильно сбою питания
электросети при нулевом входном сопротивлении.
0%
Осциллограмма 6
Входное
напряжение
Выходное
напряжение
Входной
ток
Осциллограмма 4.
Мгновенное отключение
100% нагрузки
Характеристики ИБП при мгновенном отключении
полной нагрузки.
Выходной
ток
Входные цепи –
короткое
замыкание.
Переход в режим
работы от
батарей
Осциллограмма 4
Входное
напряжение
Выходное
напряжение
Входной
ток
Осциллограмма 7.
Нагрузка  импульсные
источники питания
Работа с высоким коэффициентом формы тока
нагрузки (3:1). Обратите внимание, что входной
сигнал не искажается дополнительными
Осциллограмма 7
гармониками.
Выходной
ток
Входное
напряжение
Входной ток
Мгновенное
отключение
нагрузки
Выходное
напряжение
100%
0%
Дата печати: 29-Apr-16
Страница 8 из 13
Выходной ток
 American Power Conversion
Технология дельта-преобразования APC Silcon
12.1.
Схема электропитания
Контактор
обратной связи
3-фазный
вход ИБП
Шунтирующий электронный ключ
Главный электронный ключ
Блок внешних
предохранителей
Входной
фильтр
радиопомех
Дельтатрансформатор
3-фазный
выход
ИБП
Выходной
контактор
Конденсаторы цепей
постоянного тока Схема автоматического
шунтирования
Выходной
фильтр
радиопомех
L
РПЦ
+384V
-384V
РПЦ
L
Входная
нейтраль
Дата печати: 29-Apr-16
Дельта-инвертор
Страница 9 из 13
ФНЧ
Главный инвертор
 American Power Conversion
Выходная
нейтраль
Технология дельта-преобразования APC Silcon
12.2.
Схема управляющих контуров
Шунтирующий
электронный ключ
Дельтатрансформатор
L
Электросеть
N
L
Контактор
обратной
Главный
связи
электронный ключ
Выходной
контактор
Выход ИБП
N
Электролитические
Батарея
конденсаторы
Основной
инвертор
Дельтаинвертор
+384 В
Выходной
фильтр
Датчик
входного
тока
ШИМ
N
384V
N
Датчик Uбат
ШИМ
Сигнал
синхронизации
Датчик Uвых
Эталонный
кварцевый
генератор
Дата печати: 29-Apr-16
Синхр
c.
Эталон
входного
тока
Страница 10 из 13
Эталон
напряжения
батареи.
Эталон
выходного
напряжения.
Синхронизирующий
сигнал инвертора
 American Power Conversion
Упрощенная схема
цепей одной фазы электропитания и
управляющих контуров ИБП с
дельта-преобразованием
APC Silcon
Технология дельта-преобразования APC Silcon
Принципы широтно-импульсной модуляции (ШИМ)
13.
Установленные в инверторе транзисторы с изолированным затвором (Insulated Gate Bipolar
Transistors, IGBTs) выступают в роли ключей, передающих напряжение батареи в выходные цепи
импульсами, предназначенными для синтеза синусоидального напряжения. На рис. 13.1 показана их
работа с резистивной нагрузкой. Для создания синусоидальной формы напряжения необходимо
дополнить схему фильтром нижних частот, как изображено на рис. 13.2. Ширина формируемых
транзисторами импульсов модулируется для повышения амплитуды фильтрованного выходного
сигнала.
Рис. 13.1
Полумостовой 4-квадрантный инвертор
Осциллограмма Uвых за один период
500
400
300
Т1
200
I вых
100
Т2
0
-100
Uвых
-200
-300
-400
Резистивная нагрузка
-500
В инверторе ШИМ, питающем резистивную нагрузку, транзистор Т1 формирует импульсы в
положительном полупериоде, а транзистор Т2  в отрицательном. Оба диода не принимают
участия в этой операции. Стрелками обозначено направление тока для каждого полупериода, а на
осциллограмме показано выходное напряжение (Uвых). Выделенная красным цветом синусоида
приведена здесь только для сравнения.
Рис. 13.2
Uбат+
500
Т1
Осциллограмма Uвых за один период
Uбат+
400
I вых
300
200
Т2
100
ШИМ
0
Uбат-
-100
U вых
-200
-300
Выходной фильтр нижних частот (ФНЧ)
-400
Uбат-500
Фильтр нижних частот на выходе инвертора ШИМ создает индуктивное сопротивление,
изменяющее форму выходного напряжения. Транзистор Т 1 продолжает формировать
положительный полупериод, а транзистор Т 2  отрицательный. Два диода замыкают контуры
для обратных токов от индуктивности фильтра, пропуская импульс ШИМ в обратном
направлении до срабатывания противоположного диода и батареи, причем амплитуда сигнала
ШИМ будет определяться Uбат+ и Uбат-- ФНЧ не пропускает импульсный сигнал ШИМ,
обеспечивая чистую синусоидальную форму выходного напряжения (Uвых).
Дата печати: 29-Apr-16
Страница 11 из 13
 American Power Conversion
Технология дельта-преобразования APC Silcon
14.
Принцип работы 4-квадрантного инвертора
Четырехквадрантный инвертор работает как с положительными, так и с отрицательными
значениями выходного напряжения и тока, в любом из возможных квадрантов, соответствующих
четырем рабочим режимам, как показано на рис. 14.1. Четырехквадрантный инвертор является
двунаправленным, способным работать в качестве зарядного устройства / выпрямителя (преобразуя
переменный ток в постоянный) или инвертора (преобразуя постоянный ток в переменный).
Практически все инверторы ИБП способны работать во всех четырех режимах, однако в
конструкции ИБП с дельта-преобразованием APC Silcon специально предусмотрен полный контроль в
любом квадранте.
Рис. 14.1
Полумостовой 4-квадрантный инвертор
Т1
4-квадрантный инвертор с
широтно-импульсной модуляцией
Д1
I+вых
Iвых
Т2
2.
Зарядное
устройство
Д2
3.
Инвертор
Uвых
1.
Инвертор
4.
V+вых
Зарядное
устройство
Базовая конфигурация:
 4-квадрантный инвертор с ШИМ способен направлять энергию в прямом или обратном
направлении. Следовательно, инвертор может также работать в качестве выпрямителя/зарядного
устройства.
 Для передачи энергии в батареи ИБП используются диоды обратного хода Д 1 и Д2
Прямой режим /Режим инвертора



Преобразование осуществляется из постоянного тока в переменный.
Инвертор формирует синусоидальное выходное напряжение переключением транзисторов,
управляемых широтно-импульсным модулятором, и работает в первом (положительный
полупериод) и в третьем квадранте (отрицательный полупериод).
Переключение транзисторов инвертора осуществляется управляющей схемой, которая сравнивает
выходное напряжение с эталоном и в случае любого отклонения вносит поправки в импульсный
сигнал модулятора ШИМ, быстро корректируя выходной сигнал.
Реверсивный режим/Режим выпрямителя
 Преобразование осуществляется из переменного тока в постоянный.
 Инвертор так же формирует синусоидальное выходное напряжение, работая во втором и четвертом
квадрантах.
 Переключение транзисторов инвертора осуществляется той же управляющей схемой, что и в
прямом режиме.
 Ток в этом случае направляется в батареи диодами обратного хода.
На рис. 14.2-14.5 показана стандартная обработка импульсной последовательности для
формирования синусоидального выходного напряжения. При открытых транзисторах Т 1 и Т2 ШИМмодулированное напряжение батареи поступает в выходные цепи. Когда транзисторы закрыты,
индуктивность фильтра создает обратную электродвижущую силу (ЭДС), или ток обратного хода,
который находит путь обратно к батарее через диоды обратного хода Д 1 и Д2.
Если период переключения транзисторов сокращается, то Т1 и Т2 открываются на меньшие
интервалы времени, поэтому энергия обратного хода может возрастать.
Дата печати: 29-Apr-16
Страница 12 из 13
 American Power Conversion
Технология дельта-преобразования APC Silcon
Рис 14.2
Квадрант 1
Д1
Т1
500
400
300
I вых
200
100
Т2
Д2
0
ШИМ
-100
-200
U вых -300
-400
Т1 пропускает ток положительного полупериода
-500
Рис. 14.3
Квадрант 2
Д1
Т1
500
400
300
I вых
200
100
Т2
Д2
0
ШИМ
-100
-200
U вых -300
Д2 замыкает контур для освобождения энергии
дросселя в положительном полупериоде
-400
-500
Рис. 14.4
Квадрант 3
Д1
Т1
500
400
300
I вых
200
100
Т2
Д2
0
ШИМ
-100
-200
U вых -300
Т2 пропускает ток отрицательного полупериода
от отрицательно заряженной половины батареи
Рис. 14.5
Квадрант 4
Д1
Т1
-400
-500
500
400
300
I вых
200
100
Т2
Д2
0
ШИМ
-100
-200
U вых -300
Д1 замыкает контур для освобождения энергии
дросселя в отрицательном полупериоде
Дата печати: 29-Apr-16
-400
-500
Страница 13 из 13
 American Power Conversion