5 февраля 2016 в 08:42

Разработка маломощного резервного источника питания с синусом на выходе. Часть 1. Постановка задачи из песочницы

Источники бесперебойного питания (ИБП) нашли широкое применение, как в быту, так и в промышленности. Они призваны обеспечить необходимым питанием оборудование из резервных источников в случае «пропажи» основного питания. Резервными источниками в таких ИБП в основном служат аккумуляторы. Поэтому эти ИБП обеспечивают питанием оборудование ограниченное время, от нескольких минут до пары тройки часов. В продаже имеется огромное количество подобного оборудования, как говорится, на любой вкус и цвет «карман», с различными характеристиками и разнообразными функциями.

Рассмотрим сферу применения в быту.

В каждом доме имеется холодильник. Основные модели используют компрессор, приводимый в действие двухполюсным однофазным асинхронным электродвигателем. Мощность бытовых холодильников 100-200 Вт. Пропадание основного питания (а-ля 220 вольт) на несколько часов может привести к размораживанию холодильника. Это не критично, но неудобно. Но обычный компьютерный ИБП здесь не поможет: двигатель компрессора не обрадуется форме напряжения, предоставляемого таким ИБП. Для такого рода потребителям необходим синус на выходе ИБП.



Пример, скажем честно, самый реальный, но не самый необходимый для применения ИБП.

Частный дом, система отопления, циркуляционный насос. Те же проблемы. Современные газовые котлы в основе своей имеют его в своей конструкции. При пропадании электропитания от компьютерного ИБП тоже работать особо не хотят. Правда, пару часов пережить можно и без электричества и работающего котла, благо дом за пару часов не остынет до отрицательных температур.

Продолжим искать применение ИБП с синусом на выходе в быту.

Такой же частный дом, циркуляционный насос в системе отопления, но сама система отопления не на газу, а на дровах. Вот значит вы после работы растопили печурку и греете дом, насос качает жидкость по трубопроводам системы отопления. БАЦ! Отключили электроэнергию. Котел начал дико перегреваться, из-за отсутствия циркуляции, но ведь это не вентиль газовый перекрыть, печку тушить придется, в прямом и переносном смысле. А если бы был ИБП, то спокойно за часик полтора можно было протопить печку и дальше ждать, пока горэлектросеть не восстановит снабжение природным газом электричеством. Уже реальнее. Далее.

Деревня, есть природный газ, есть напольный котел типа АОГВ-11,6-3. Вот его описание: предназначен для электронезависимых автономных систем отопления домов, дач площадью до 110 кв.м. Значит для его работы электричества не нужно. А вот для циркуляции теплоносителя используется циркуляционный насос. Отсутствие электричества на работе котла никак не сказывается, а вот из-за отсутствия циркуляции вода в котле начинает кипеть и её выдавливает через расширительный бак со всеми вытекающими последствиями. Так что в такой ситуации приходится выключать котел. Но если хозяев нет дома, или это происходит в ночное время?

Вот для такого конкретного случая и понадобился ИБП с синусом. Разрабатывать полноценный ИБП для такой задачи нет смысла. Если время перехода с сети на резервный источник будет составлять 5-10 секунд, ничего критичного не произойдет, как с системой отопления, так и с самим насосом.

Из всего вышесказанного и вытекает задача: разработать маломощный резервный источник питания 220 В, 50 Гц с синусом на выходе.

Предисловие


Обратимся к рынку и изучим имеющиеся предложения. Для этого зададимся некоторыми критериями к выбираемому оборудованию. Запросы будут скромные.

  • Мощность – 200 Вт,
  • «Чистый» синус на выходе,
  • Ну и… хватит.

Гугл по запросу «ИБП 200 Вт с синусом» результатами не порадовал. Практически первая же ссылка рассказывает о расчете и подборе ИБП к газовому котлу отопления. Правде, цена на ИБП не радует глаз, особенно если взглянуть еще на аккумуляторы, которые в комплект к ИБП не входят — вообще грустно становится. По остальным ссылкам такая же история, что не радует обычного смертного представителя среднего класса.

Введение


На рынке представлено множество различных ИБП, зачем что-то разрабатывать? Ответов на этот вопрос несколько:

  • Цена предлагаемых устройств пусть и не заоблачная, но все-таки высокая,
  • Функция «чистого» синуса стоит дороже и встречается далеко не повсеместно,
  • Понять принцы построения таких систем,
  • Набраться опыта в проектировании, разработке силовой электроники,
  • Опыт в программировании МК
  • Каждый может продолжить список для самомотивации…

Про цену разработанного устройства пока умолчим, так как пока конкретных «цифирек» нет. Но после испытаний устройства подсчитаем все затраты на расходные материалы.

Лирическое отступление
На geektimes.ru есть цикл статей, посвященный проектированию мощного ИБП с чистым синусом на выходе. Стартовый пост находиться по этой ссылке. В данном цикле мы не будем разрабатывать полную уменьшенную копию данного ИБП, а подойдем к конкретной задаче немного по-другому. Да и разрабатываемое устройство назвать ИБП язык не повернется. Это будет резервный источник питания с автоматическом вводом резерва (далее РИП АВР), в котором время перехода с сети на РИП будет составлять порядка пары-тройки секунд.

Исходные данные


Начнем с необходимых расчетов. Прикинем мощность, которую РИПу необходимо отдавать в нагрузку, время автономной работы и т.д. Приступим.

Нагрузкой у нас будет выступать циркуляционный насос. Посмотрим на распространенные модели на рынке. Вот что выдал гугл: ссылка на характеристики циркуляционных насосов.

Для домов небольшой площади до 100 кв.м используются насосы мощностью до 100 Вт. Причем редко кто использует третий мощностной режим насосов. Так что остановимся на 60 Вт потребляемой мощности. Вот от этой мощности и будем отталкиваться при расчетах.

Лирическое отступление
Если кому-то понадобится большая мощность, то для этого следует в расчетах пропорционально увеличить полученные величины, и по полученным данным пересчитать электронные компоненты, используемые в схеме (диоды, транзисторы и т.д.).

Напряжение на выходе РИПа 230 В. Мощность 60 Вт. Следовательно, ток составит I=P/U=60/230=260 мА.

Теперь зададимся КПД преобразователя 12 В DC -> 230 В АС в районе 90%, тогда при напряжении питания от АКБ в 12,4 Вольта ток потребления с АКБ составит:



Вот на эти цифры будем опираться, как при выборе радиоэлектронных компонентов, так и при изготовлении печатной платы.

Структурная схема РИПа


Для преобразователя 12->220 в основе своей применяется схема повышающего ИИП. То есть с помощью импульсного повышающего трансформатора получают 310 Вольт постоянного напряжения, а дальше мостовой схемой, управляемой синусоидальным шимом и LC фильтром, получают «чистый» синус 220 вольт на выходе. В данном подходе используется множество компонентов от интегральных микросхем до высокоскоростных диодов и т.д. Как-никак импульсная схемотехника.

Для данного РИПа с его ничтожной малой мощностью можно пойти немного другим путем.

С так называемого звена постоянного тока, которым в нашем случае будет шина АКБ, то есть 12 вольт, через мостовую схему, управляемую синусоидальным шимом, подать на первичную обмотку обычного линейного сетевого повышающего трансформатора. Со вторички снять уже необходимые 220 вольт синусоидального напряжения. Благо для такой мощности и габариты трансформатора будут не большие. Сам трансформатор послужит фильтром и сгладит форму напряжения почти до узнаваемого синуса. А если между мостом и первичной обмоткой трансформатора поставить низкоимпедансный LC фильтр, то можно получить форму напряжения на выходе трансформатора очень близкую к синусу.

Получается примерно такая схема.


Картинка кликабельна

В данной примерной схеме компоненты взяты для показа основной мысли схемотехники РИПа, и их номиналы не соответствуют расчетам, которые мы будем производить ниже. Сама схема усложнится по мере проектирования устройства.

Во время, когда насос работает от РИПа, АКБ разряжается, и после перехода с РИПа на сеть есть смысл заряжать АКБ до номинальной емкости. Когда «электричество присутствует в розетке», то насос работает от сети, а выходную схему РИПа можно использовать для зарядки АКБ. То есть на вторичную обмотку трансформатора (она же высоковольтная) подать напряжение сети, а с первичной обмотки (она же низковольтная) снять переменное напряжение, выпрямить на диодном мосту, сгладить конденсатором и заряжать им АКБ. Рассмотрим изменения, которые необходимо внести в схему для такого подхода.


Картинка кликабельна

То есть пока есть напряжение в сети, реле подтянуты, и сетевое напряжение через контакты реле поступает в нагрузку, а также на высоковольтную обмотку трансформатора. Далее с низковольтной обмотки снимается напряжение. Напряжение выпрямляется паразитными диодами транзисторов (для правильности стоит указать, что в реальной схеме мы их использовать не будем, установим параллельно транзисторам внешние быстродействующие диоды на необходимый ток), сглаживается конденсатором и через P-канальный транзистор, управляемый схемой управления на МК, закачивает необходимый зарядный ток в АКБ через сглаживающий дроссель.

Когда электроэнергия «кончится» в сети, реле разомкнуться, и схема будет работать в обратном порядке. Из 12 вольт АКБ через мост транзисторов, фильтры и трансформатор напряжение будет подводиться к нагрузке.

Для того, чтобы не лепить синхронизацию с сетью и т.д. для практически мгновенного перехода с АКБ на сеть и обратно, банально, при пропаже сети, обесточится нагрузка, разомкнуться реле, схема подготовит все и всех для работы от АКБ и начнет генерить напряжение в нагрузку. При восстановлении сети схема остановит генерацию напряжения, убедится, что все хорошо, и замкнет реле для перехода на сеть и зарядки АКБ. Функции схемы управления обрисуются в процессе разработки.

Структурную схему и основной принцип работы РИПа разобрали и на этом позитивном настроении приступим к расчетам необходимых компонентов схемы и выбору аппаратной платформы, как для «мозгов» устройства, так и для силовых элементов. Правда уже в следующей статье.

И снова лирическое отступление
Недавно я опубликовал на Хабре цикл статей под названием «Измерение веса полезных ископаемых в горнорудной промышленности». Но видно просчитался с целевой аудиторией Хабра, так что разработку РИПа публикую здесь на Geektimes. Если кому интересно почитать предыдущие мои публикации, то оставлю здесь ссылки на данный материал:

  1. Измерение веса полезных ископаемых в горнорудной промышленности. Теоретическая основа
  2. Измерение веса руды по току статора. Практика. Часть 1. Алгоритм обработки сигналов в МК
  3. Измерение веса руды по току статора. Практика. Часть 2. Программная реализация на МК



Заключение


В следующих частях мы рассмотрим расчеты разрабатываемого РИПа, подготовим электрическую схему устройства, выберем аппаратную платформу, разработаем топологию печатной платы для РИПа. Произведем разбор функций устройства, напишем программы для МК, проведем полный цикл наладки и испытаний устройства на оборудовании, а также сдадим все это реальному заказчику.

P.S.: Правда, разработка займет некоторое время, и дальнейшие публикации будут выходить в свет по мере продвижения проекта. Ориентируюсь еще на три статьи, с интервалом примерно в 2-3 недели.

Продолжение здесь:

Часть №2.
Часть №3.
Алексей @Helixa
карма
14,0
рейтинг 0,0
ведущий инженер-электроник
Самое читаемое

Комментарии (36)

  • 0
    1)А что за ключ Q5 на второй схеме? Какую функцию он выполняет?
    2)«Для домов небольшой площади до 100 кв.м используются насосы мощностью до 100 Вт. Причем редко кто использует третий мощностной режим насосов. Так что остановимся на 60 Вт потребляемой мощности. Вот от этой мощности и будем отталкиваться при расчетах.»
    На старте насос как любой двигатель потребляет 5-7 крат от номинального тока.
    • 0
      1)А что за ключ Q5 на второй схеме? Какую функцию он выполняет?
      Это п-канальный полевой транзистор, для обеспечения зарядного тока АКБ во время работы от сети. Заряжать будем АКБ током равным 0,1 тока емкости АКБ
      На старте насос как любой двигатель потребляет 5-7 крат от номинального тока.
      Я уверен, что трансформатор, обеспечит пиковую мощность при старте. Защиту будем настраивать на на эти пусковые токи.
      • 0
        Это п-канальный полевой транзистор, для обеспечения зарядного тока АКБ
        всё же наверное p-канальный. А то ведь если у вас русская «П», то многие (и я в том числе) могут неправильно прочитать как английскую n (n-канальный). Больно уж буквы-то похоже выглядят. Хотя, кто будет делать, должен отличать на схеме p и n канальные транзисторы.
        • 0
          Да выглядит похоже. Имелось в виду P-канальный.
  • 0
    Начало статьи — для холодильника не нужно, для газового котла не нужно…
    Предполагаемый третий абзац: для стиральной машины/мясорубки/кухонного комбайна/нужное дописать ИБП тоже не нужен, разрабатывать не будем %)
    К счастью ошибся :)
  • 0
    100-200 Вт у холодильника не всегда — в нем и пусковые токи есть и летом +100 Вт жрет. Если я себе собрал такое чудо, то 100% поставил бы на него лампочки и роутеры в доме)

    Данная схемотехника тоже позволяет кстати вполне вытянуть 3-4 кВт, контора МАП Sin именно по такому принципу и делает. Думаю многим было бы интересно если мощность увеличилась бы до 1 кВт. Хотя встанет вопрос с добычей подходящего железа на транс…

    Смутил немного номинал ФНЧ — 100 мкГн и 1 нФ, как-то слишком все красиво. Тут или взяты от балды, либо пока просто не рассчитывалось. Какая частота среза будет на нем?

    P.S. задумка мне понравилась, мелочевка популярна нынче)) Не понравился некий «плагиат» стиля написания статьи, но на то он и открытый доступ :D Удачи в проектирование, будем ждать продолжение)
  • 0
    Думаю многим было бы интересно если мощность увеличилась бы до 1 кВт
    Подобрать или рассчитать линейный транс на такую мощность проблем не составит. Остальные компоненты на данную мощность подобрать тоже получится.
    Смутил немного номинал ФНЧ — 100 мкГн и 1 нФ, как-то слишком все красиво
    Это только как компоненты:
    В данной примерной схеме компоненты взяты для показа основной мысли схемотехники РИПа, и их номиналы не соответствуют расчетам, которые мы будем производить ниже. Сама схема усложнится по мере проектирования устройства.
    • 0
      Схемотехника между 200 Вт и 1 кВт будет несколько разной. Хотя если изначально заложишь потенциал киловаттника, то проблем не будет. Только лишь избыточность для 200 Вт, но я как фанат надежности сделал бы именно так))

      Ох, это уже моя невнимательность, не увидел что «не соответствует расчетам» — тут уж извините))
  • 0
    из-за отсутствия циркуляции вода в котле начинает кипеть и её выдавливает через расширительный бак со всеми вытекающими последствиями.

    Интересно, что, по-вашему, в это время делает автоматика котла?
    Более того, в закрытых системах обязательна установка группы безопасности с клапаном сброса давления.
    Также хочу заметить, что для котлов с контролем пламени важно наличие сквозного нуля
    • 0
      Также хочу заметить, что для котлов с контролем пламени важно наличие сквозного нуля
      Пример котла в статье:
      Деревня, есть природный газ, есть напольный котел типа АОГВ-11,6-3. Вот его описание: предназначен для электронезависимых автономных систем отопления домов, дач площадью до 110 кв.м.

      Интересно, что, по-вашему, в это время делает автоматика котла?
      Автоматика котла, по набору температуры отключит основную горелку, но останется гореть запальный фитиль, а в котлах малой мощности объем самого котла не большой, так что и фитиль его разогревает достаточно сильно за интервал около часа работы.
      • 0
        Пример котла в статье:

        Деревня, есть природный газ, есть напольный котел типа АОГВ-11,6-3. Вот его описание: предназначен для электронезависимых автономных систем отопления домов, дач площадью до 110 кв.м.

        Выше вроде было предложение про «современный котёл»…
        в котлах малой мощности объем самого котла не большой, так что и фитиль его разогревает достаточно сильно за интервал около часа работы.

        На мой взгляд глупость. Есть конкретные примеры? В том же АОГВ-11 объём теплоносителя в котле литров 20. Попробуйте на газовой зажигалке вскипятить хотя бы чайник.
        • 0
          На мой взгляд глупость. Есть конкретные примеры? В том же АОГВ-11 объём теплоносителя в котле литров 20
          А Вы знаете мощность запального фитиля? Это явно не зажигалка. Пламя, как у небольшой конфорки на газ плите.
          Конкретный пример у моих родственников в деревни, уезжали часа на три в гости, по приезду у них вода на полу возле котла (пусть не много) и пар из расширительного бочка.
          • 0
            А Вы знаете мощность запального фитиля?

            На глаз, думаю ватт 300.
            Это явно не зажигалка

            Так я и предлагаю чайник вскипятить, а не котёл.
            Конкретный пример у моих родственников в деревни, уезжали часа на три в гости, по приезду у них вода на полу возле котла (пусть не много) и пар из расширительного бочка.

            Это не из-за запальника.
            П.С. Объём АОГВ -11 30 литров.
            • 0
              Конкретный пример у моих родственников в деревни, уезжали часа на три в гости, по приезду у них вода на полу возле котла (пусть не много) и пар из расширительного бочка.
              Имелось ввиду, что почти все это время отсутствовало электричество в доме.
              Это не из-за запальника.
              А что могла послужить причиной?
              • 0
                А что могла послужить причиной?

                Скорее всего, причина в инертности автоматики АОГВ, т.к. он изначально рассчитан на работу без насоса. При работе насоса температура в котле возле горелки и термодатчика более-менее равномерна, однако после остановки насоса смешивание замедлилось и датчик стал срабатывать при более высокой средней температуре котла. Излишек расширившейся воды вышел через расширительный бак (как я понимаю, система открытая), возможно бак был заполнен под завязку.
                • 0
                  Система открытая, так что причина описанная Вами вполне реальна.
            • 0
              Так вот по расчетам, что бы запальником разогреть 30 литров котла до кипения, необходимо около 5 часов, если взять мощность запальника в 300 Вт и что основная горелка отключится при 60 градусах воды, что по факту не всегда так. Так что запальнику реально вскипятить котел за несколько часов, при отсутствии циркуляции, а если учесть, что воздух в воде начинает прилично расширяться уже при более низкой температуре, то наличие пара и выдавливание воды через расширитель, вполне реальная вещь.
              • 0
                Эх, у меня в межсезонье запальник горит постоянно при отключенном насосе, температура котла практически равна температуре в помещении.
                • 0
                  А у Вас система хоть какаю нибудь самоциркуляцию поддерживает? У родственников, система только для принудительной циркуляции.
                  • 0
                    Да, в случае выхода из строя насоса или длительного отсутствия электричества, открывается байпас. Но в данном случае система стоит без циркуляции, а в случае возвратных холодов включается основная горелка и насос.
                    • 0
                      То что система уже может работать на самоциркуляции, это гуд.
  • 0
    Что-то мне очень кажется что С1 в этой схеме лишний. Транзисторы будут постоянно по нему молотить импульсами с крутыми фронтами, что ничего хорошего не принесёт а только станет причиной повышенного уровня помех — гонять по силовым шинам токи перезарядки этого конденсатора. Да и собственно вторая индуктивность тоже лишняя. Она имела бы смысл во входном сетевом фильтре с заземляющим контактом.
    • 0
      На счет конденсатора возможно Вы правы. Учтем в окончательном варианте. Если габариты дросселя при расчетах будут небольшие, то можно сэкономить на втором дросселе.
  • 0
    А насколько сильно будут греться ключи в линейном режиме? И не проще ли было использовать что-то типа усилителя класса D — благо их выбор огромен, для малой мощи подобрать можно вполне.
    • 0
      С усилителями класса D не знаком. Но в любом случае необходимо снизить все потери по максимуму. Все же питание от АКБ, так что необходимо минимизировать потребление тока от него, тем самым повысить время автономной работы.
    • 0
      Так ключи же не в линейной режиме будут, там же PWM — ключевой режим.
      • 0
        Да там шим.
        А насколько сильно будут греться ключи в линейном режиме?
        Имелось в виду, почему не использовать линейный режим транзисторов.
        • 0
          Ну КПД очень низкий получится, от аккумулятора же питаемся. Только ключевой режим, только спец мосфеты с максимально низким сопротивлением и т.д.
  • 0
    Тогда уж топологию на пуш-пул поменять — там по одному ключу на плечо, выигрываем в потерях в 2 раза. Зачем мост на 12 вольтах?
    • 0
      Мост или пуш пул будет зависеть от трансформатора. Для пуш пула необходимо две равнозначные низковольтные обмотки на 5 ампер для 60 Вт. Габариты уже другие. А во время работы одной полуобмотки, потери во второй тоже будут. А если посчитать выигранную мощность, то думаю речь дойдет до 1 Вт при таких токах.
  • 0
    А почему вы отказались от популярной нынче схемы? Повышение от АКБ на ВЧ преобразователе(компактный ферритовый транс, хороший КПД, возможность спараллеливания до необходимой мощности), с последующим выпрямлением, и получением синуса тем же ШИМом на мосту IGBT + фильтр на выходе. Дроссель на фильтр проще гораздо и намотать или купить готовый(юзают для частотных приводов).
    image
    • 0
      Для заявленной мощности получится сложнее и дороже.
    • 0
      Для мощностей от 500 Вт есть смысл переходить на импульсную схемотехнику. Для таких мощностей, это усложнение схемы, удорожание по расходникам, усложнение по программе МК, увеличение ответственных компонентов, сложнее наладка, и в таком использовании как на рис. невозможность двух стороннего обмена током. Разряд АКБ и питание нагрузки, и заряд АКБ когда питание осуществляется от сети.
  • 0
    Хочу уточнить.

    Когда у вас схема работает от АКБ, в начале своей работы напряжение на АКБ 12.7 V, по мере работы, напряжение падает до какой величины?

    Далее у нас появилось сетевое напряжение, 220V, или 230V или 210V. Какое напряжение пойдет на АКБ? 12.7V?
    12.7V — не достаточно для заряда АКБ
    Или вы трансформатор на 14V
    • 0
      по мере работы, напряжение падает до какой величины?
      Работать АКБ будет до глубины разряда, примерно в 10,5 вольт, исходные 12,5 в начале, так что падение на высоковольтной обмотке с 230 до 190 вольт. Что насоса вполне приемлемо.
      Или вы трансформатор на 14V
      расчеты будут проводится исходя из соотношения 220 высоковольтная, 12,7 низковольтная. В сети бывает и больше и меньше. Так что для АКБ за пару бесперебойных дней найдется повышенное напряжение для его заряда.
  • 0
    Попробуйте использовать генератор синуса и усилитель класса D. Возможно интересный вариант для самоделки на малую мощность и хорошим синусом на выходе.

Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.