MODEL SYMULACYJNY I EKSPERYMENTALNY ZASILACZA UPS Z MOŻLIWOŚCIĄ AKTYWNEJ KOMPENSACJI RÓWNOLEGŁEJ

Transkrypt

1 POZNAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ACADEMIC JOURNALS No 95 Electrical Engineering 2018 DOI /j Michał KRYSTKOWIAK *, Łukasz CIEPLIŃSKI * MODEL SYMULACYJNY I EKSPERYMENTALNY ZASILACZA UPS Z MOŻLIWOŚCIĄ AKTYWNEJ KOMPENSACJI RÓWNOLEGŁEJ W artykule zaprezentowano strukturę oraz zasadę działania opracowanej koncepcji zasilacza UPS charakteryzującego się dodatkową możliwością aktywnej kompensacji równoległej, co jest zasadniczą różnicą w stosunku do powszechnie spotykanych tego typu urządzeń na rynku. Opisano zarówno model symulacyjny, jak wybrane podzespoły części silnoprądowej oraz sterującej układu eksperymentalnego (będącego jeszcze w fazie budowy). Autorzy przedstawią również wybrane wyniki badań obu modeli dla wybranych warunków pracy. SŁOWA KLUCZOWE: przesunięcie fazowe, wyższe harmoniczne, struktura VFI, zasilacz UPS, procesor sygnałowy. 1. WPROWADZENIE W artykule zaprezentowano strukturę części silnoprądowej oraz układ sterowania rozwiązania zasilacza UPS typu VFI [7], który dodatkowo odznacza się możliwością kompensacji przesunięcia fazowego między podstawowymi harmonicznymi napięcia i prądu sieci oraz redukcji wyższych harmonicznych generowanych przez inne odbiorniki energii dołączone do wspólnego węzła sieci elektroenergetycznej. Ogólna idea kompensacji przesunięcia fazowego przez opisywany zasilacz UPS polega na poborze prądu o przeciwnym kącie fazowym w stosunku do wypadkowego prądu pobieranego przez inne odbiorniki. W konsekwencji kąt fazowy podstawowej harmonicznej prądu wejściowego zasilacza UPS zwykle jest różny od zera. Funkcja kompensacji wyższych harmonicznych wymusza odkształcenie prądu wejściowego przekształtnika UPS w taki sposób, aby jego suma z prądami współpracujących odbiorników dawała sygnał wynikowy, który cechuje się możliwie niską zawartością niepożądanych harmonicznych w rozpatrywanym paśmie częstotliwości [1, 2, 4, 5, 6]. Prezentowane w artykule rozwiązanie zasilacza UPS bazuje na strukturze typu VFI (Voltage Frequency Independent) [7, 8]. * Politechnika Poznańska

2 20 Michał Krystkowiak, Łukasz Ciepliński W pracy przedstawiono wybrane wyniki badań modelu symulacyjnego systemu. Ponadto przedstawiono wstępne badania jednego z głównych podzespołów modelu eksperymentalnego będącego w fazie budowy wejściowego prostownika tranzystorowego. 2. ZASADA DZIAŁANIA ZASILACZA UPS Ogólny schemat blokowy systemu odzwierciedlający sposób połączeń poszczególnych elementów opisywanego systemu zaprezentowano na rysunku 1. Rys. 1. Uproszczony schemat blokowy systemu elektrycznego z zasilaczem UPS współpracującym z innymi odbiornikami energii elektrycznej Urządzenie UPS zasilane jest z sieci energetycznej wspólnie z innymi odbiornikami. Dodatkowo, zastosowano analizator wypadkowego prądu sieci (umożliwiający m.in. wyznaczenie zawartości harmonicznych sygnału oraz przesunięcia fazowego). W tym rozwiązaniu odbiorniki, które wymagają gwarantowanego i o wysokiej jakości zasilania dołączone są do wyjścia zasilacza UPS. Na rysunku 2 pokazano schemat blokowy zasilacza UPS o strukturze VFI. Rys. 2. Schemat blokowy zasilacza UPS o strukturze VFI Na schemacie blokowym można wyróżnić następujące moduły: filtr wejściowy, sprzęg AC/DC/AC zbudowany z następujących przekształtników energoelektronicznych: przekształtnika AC/DC (sieciowego), wyjściowego (odbiornikowego) falownika napięcia zbudowanego na bazie mostka H i filtru LC,

3 Model symulacyjny i eksperymentalny zasilacza UPS 21 przekształtnik DC/DC (bateryjny) zasilany z szyny prądu stałego, baterie akumulatorów. Zadaniem przekształtnika wejściowego jest nie tylko zapewnienie wymaganej wartości napięcia stałego, możliwie bliskiego wartości nominalnej, ale także umożliwienie aktywnej kompensacji przesunięcia fazowego i wyższych harmonicznych prądu sieci. Wiąże się to z przepływem prądu o większej wartości skutecznej w porównaniu z klasycznym sterowaniem, gdzie wymagane jest zapewnienie prądu możliwie dobrze zbliżonego do przebiegu sinusoidalnego o zerowym kącie przesunięcia fazowego. Konsekwencją tego faktu jest konieczność przewymiarowania elementów przekształtnika sieciowego. Nie jest jednak wymagane użycie dodatkowych modułów w postaci filtrów pasywnych, bądź też aktywnych celem poprawy jakości wypadkowego prądu sieci [1, 2, 4, 5]. Przekształtnik impulsowy DC/DC, umożliwiający ładowanie zespołu baterii akumulatorowej, bazuje na klasycznej strukturze przetwornicy DC/DC typu BUCK. Moduł wyjściowy pracuje jako układ regulacji zamkniętej, stanowiąc tym samym energoelektroniczne sterowane źródło napięcia. W konsekwencji możliwe jest zapewnienie wysokiej jakości napięcia dla odbiorników zasilanych z zasilacza rezerwowego. 3. KONSTRUKCJA ZASILACZA UPS 3.1. Struktura części wejściowej zasilacza Obwód wejściowy zasilacza UPS zaprojektowany został na bazie w pełni sterowalnego mostka tranzystorowego z filtrem indukcyjnym na wejściu (rys. 3) Zastosowana struktura umożliwia pobór prądu sieci o dowolnym kształcie i kącie przesunięcia fazowego podstawowej harmonicznej pod warunkiem zapewnienia wartości napięcia na szynie DC wyższej od amplitudy napięcia sieciowego. Od strony wejściowej przekształtnik ten można w analizowanym przypadku rozpatrywać jako energoelektroniczne sterowane źródło prądu [3]. Rys. 3. Schemat ideowy części silnoprądowej przekształtnika sieciowego zasilacza UPS

4 22 Michał Krystkowiak, Łukasz Ciepliński Zadaniem przekształtnika sieciowego zasilacza UPS w opisywanym rozwiązaniu jest nie tylko stabilizacja napięcia wyjściowego na szynie DC, ale również aktywna kompensacja przesunięcia fazowego oraz wyższych harmonicznych prądu sieci wynikających z oddziaływania odbiorników zasilanych z tego samego węzła sieci energetycznej, co UPS. Takie rozwiązanie wymaga pomiaru wypadkowego prądu sieci w wybranym węźle, z którego zasilane są odbiorniki oraz UPS. Kontrolowanie przepływu energii czynnej jest możliwe poprzez stabilizację napięcia w obwodzie szyny DC. Schemat blokowy układu sterowania częścią wejściową zasilacza UPS zaprezentowano na rysunku 4. Zastosowano tam nadrzędny regulator napięcia na szynie DC, który jest odpowiedzialny za wyznaczenie amplitudy prądu w rozpatrywanym węźle sieci. Sygnał wyjściowy z niniejszego regulatora jest mnożony przez sinusoidalny sygnał o stałej amplitudzie i fazie zgodnej z fazą podstawowej harmonicznej napięcia sieciowego. Wynikiem mnożenia jest sygnał referencyjny dla podrzędnego regulatora prądu odpowiedzialnego za kształtowanie prądu sieci w rozpatrywanym węźle [3]. Rys. 4. Schemat blokowy układu sterowania przekształtnikiem sieciowym zasilacza UPS 3.2. Struktura części wyjściowej zasilacza Część silnoprądową wyjściową zasilacza UPS zaprezentowano na rysunku 5. W niniejszym rozwiązaniu zastosowano transformator, zapewniający separację galwaniczną zasilacza od odbiornika wymaganą w niektórych zastosowaniach przemysłowych zasilacza UPS. Rys. 5. Schemat ideowy części silnoprądowej wyjściowej zasilacza UPS

5 Model symulacyjny i eksperymentalny zasilacza UPS 23 Zastosowanie wyjściowego filtru dolnoprzepustowego LC jest konieczne w celu zapewnienia odpowiedniej jakości napięcia, które powinno charakteryzować się zarówno możliwie małymi zniekształceniami, jak i stałą w czasie wartością skuteczną oraz częstotliwością harmonicznej podstawowej. Część sterująca przekształtnikiem została przedstawiona na rysunku 6. Rys. 6. Schemat blokowy układu sterowania falownikiem wyjściowym zasilacza rezerwowego Zastosowano w tym przypadku klasyczny układ zamknięty z regulatorem typu PI Część silnoprądowa i sterująca modułu prostownika wejściowego układu eksperymentalnego zasilacza UPS Część silnoprądową prostownika wejściowego zasilacza UPS zrealizowano bazując na przekształtniku P3-5.0/550MFE LABINVERTER [9] firmy ALFINE TIM z dodatkowym dławikiem sieciowym. Schemat blokowy przekształtnika LABINVERTER zaprezentowano na rysunku 7. Rys. 7. Schemat blokowy przekształtnika P3-5.0/550MFE LABINVERTER Przekształtnik ten bazuje na dwóch podzespołach energoelektronicznych: 3-fazowym zintegrowanym prostowniku diodowym (P) oraz 3-fazowym inteligentnym module mocy z zaworami IGBT typu PM50RSA120 firmy Mitsubishi, który jest częścią składową modułu falownika napięcia (MF). Prostownik wejściowy P nie był wykorzystywany w czasie realizacji modelu laboratoryjnego,

6 24 Michał Krysttkowiak, Łukaasz Cieplińskii podobnie jak układ roozruchowy (U UR) umożliw wiający wstęępne naładow wanie kondensatoróów obwodu pośrednicząc p cego. Należy y zaznaczyćć, że w anallizowanym przypadkuu jedna gałąźź tranzystoroowa modułu MF M nie zostaała wykorzysstana. Cyfrow wy układ steerowania kluuczami prosttownika trannzystorowegoo zrealizowano w oparciu o o syystem uruchoomieniowy ALS-G3-136 A 69 [10] firmyy ALFINE TIM. Bazzuje on na zmiennoprzzecinkowym procesorze sygnałowym m rodziny SHARC 3-generacji 3 tyypu ADSP firmy Analog A Deviice. 4. BAD DANIA MO ODELU SYM MULACYJJNEGO I EKSPER RYMENTA ALNEGO Badannia modelu symulacyjneego zasilaczza UPS zosstały przeprrowadzone w środow wisku Matlabb. Wyniki baadań symulaccyjnych dla wybranych w warunków pracy zasiilacza zaprezzentowano odpowiednio na rysunku 8. 8 Rys. 8. Przzebiegi prądów i napięcia sieci dla dodatkoweego odbiornika w postaci regullatora napięcia przemiennnego obciążoneego rezystancją W trakkcie dalszychh etapów baddań sprawdzo ono prawidłoowość funkcj cjonowania zbudowannego modeluu eksperymeentalnego pro ostownika wejściowego. w. Wybrane wyniki baadań zaprezenntowano na rysunku 9. Rys. 9. Przebiegi: P napięęcia sieci, prąduu wejściowego prostownika (qquasi sinusoiddalne) oraz nappięcia na szyniee DC Należyy przy tym zaznaczyć, z żee w trakcie wstępnych w teestów układuu fizycznego dezakttywowano fuunkcję aktyw wnej kompenssacji równoleegłej układu.

7 Model symulacyjny i eksperymentalny zasilacza UPS PODSUMOWANIE W pracy zaprezentowano część silnoprądową oraz sterującą zasilacza rezerwowego UPS, umożliwiającego dodatkową aktywną kompensację przesunięcia fazowego między podstawowymi harmonicznymi napięcia i prądu sieci oraz redukcję niepożądanych wyższych harmonicznych wypadkowego prądu sieci, co stanowi pewną innowację wobec rozwiązań powszechnie stosowanych ograniczających tylko pobór mocy biernej [11]. Zastosowanie takiego rozwiązania umożliwia ograniczenie kosztów inwestycyjnych związanych z instalacją klasycznych filtrów pasywnych bądź też aktywnych energoelektronicznych kompensatorów równoległych. LITERATURA [1] Barlik R., Nowak M., Jakość energii elektrycznej stan obecny i perspektywy, Przegląd Elektrotechniczny, nr 07/08, 2005, s [2] Fryze S., Moc rzeczywista, urojona i pozorna w obwodach elektrycznych o przebiegach odkształconych prądu i napięcia, Przegląd Elektrotechniczny, Nr 7/8, (1931). [3] Krystkowiak M., Zmodyfikowany model szerokopasmowego energoelektronicznego sterowanego źródła prądowego z modulacją prądu wyjściowego, Elektronika: Konstrukcje, Technologie, Zastosowania, (2016). [4] Pasko M., Lange A., Kompensacja mocy biernej i filtracja wyższych harmonicznych za pomocą filtrów biernych LC, Przegląd Elektrotechniczny, nr 4, 2010, s [5] Piróg S., Energoelektronika. Negatywne oddziaływanie układów energoelektronicznych na źródła energii i wybrane sposoby ich ograniczenia, Wydawnictwo AGH, Kraków, (1998). [6] Rosseto L., Spiazzi G., Tenti P., Control techniques for power factor correction converters, Proceedings of PEMC'94, Warszawa, (1994). [7] Wiatr J., Miegoń M., Zasilacze UPS oraz baterie akumulatorów w układach zasilania gwarantowanego, seria Zeszyty dla elektryków - nr 4, DW MEDIUM, Warszawa [8] PN-EN :2005/A11:2009 Systemy bezprzerwowego zasilania (UPS). [9] dokumentacja techniczna przekształtnika LABINVERTER firmy Alfine TIM. [10] dokumentacja techniczna systemu uruchomieniowego ALS-G firmy Alfine TIM. [11] (dostępność: r.).

8 26 Michał Krystkowiak, Łukasz Ciepliński SIMULATION AND EXPERIMENTAL MODEL OF POWER ELECTRONICS UPS CONVERTER WITH THE POSSIBILITY OF ACTIVE PARALLEL COMPENSATION In the article the elaborated simulation and exprimental model of the power electronics UPS converter with the possibility of active parallel compensation was described. The power circuits, control algorithms and the principle of working of presented UPS structure were presented. Also the chosen simulation and experimental results for chosen points were analyzed. (Received: , revised: )