WZROST BEZPIECZEŃSTWA ENERGETYCZNEGO POPRZEZ POPRAWĘ JAKOŚCI I PEWNOŚCI ZASILANIA ELEKTRYCZNEGO

Transkrypt

1 dr inż. Karol BEDNAREK EVER Sp. z o.o. WZROST BEZPIECZEŃSTWA ENERGETYCZNEGO POPRZEZ POPRAWĘ JAKOŚCI I PEWNOŚCI ZASILANIA ELEKTRYCZNEGO STRESZCZENIE W pracy zajęto się zagadnieniem bezpieczeństwa energetycznego o zasięgu lokalnym (w mikroskali bezpośrednio użytkowników energii elektrycznej), polegającego na poprawie pewności i jakości zasilania elektrycznego. Rozważano wpływ systemu zasilania gwarantowanego UPS na niezawodność i jakość napięcia dostarczanego do odbiorników, jak również na poprawę współpracy odbiorników energii z siecią zasilającą. Omówiono oddziaływania zaburzeń w sieciach elektroenergetycznych oraz znaczenie jakości energii w zasilaniu urządzeń. Przeanalizowano i skomentowano rezultaty przeprowadzonych badań fizycznych związanych z wprowadzeniem do układu zasilania odbiorników energii elektrycznej systemu zasilania gwarantowanego UPS EVER POWERLINE GREEN 33. Rozważania dotyczą: poprawy stabilności wartości napięcia wyjściowego UPS w stosunku do zmian napięcia wejściowego (sieciowego) w stanach stabilnych, jak również przy nagłych, skokowych zmianach wartości mocy załączanego obciążenia; wprowadzania symetryzacji obciążenia faz sieci zasilającej mimo silnej niesymetrii podłączonych do UPS odbiorników; zmniejszania odkształceń prądu pobieranego z sieci w stosunku do odkształceń prądu pobieranego na wyjściu UPS przez odbiornik o silnej nieliniowości, a także selektywności działania zabezpieczeń na liniach dystrybucji zasilania (jako efektu wysokiego prądu zwarcia UPS). Ponadto zaprezentowano wyniki badań dodatkowej funkcjonalności UPS EVER (zgłoszonej w Urzędzie Patentowym), jaką jest kompensacja mocy biernej (bez dołączania dodatkowych urządzeń kompensujących).

2 WPROWADZENIE Współczesne społeczeństwa funkcjonalnie w pełni uzależniły się od dostaw energii elektrycznej. Wszelkie branże gospodarki, zarówno przemysł, cała sfera usług, jednostki naukowe i administracyjne, jak również działalność prywatna człowieka związane są z powszechnym wykorzystaniem elementów, urządzeń i systemów elektrycznych, elektronicznych oraz informatycznych, dlatego pewność dostaw energii elektrycznej jest priorytetowym zagadnieniem niezależnie od obszaru działalności człowieka. Bezpieczeństwo energetyczne w makroskali (odpowiednio kraju bądź regionu) związane jest nierozerwalnie z rynkami i gospodarką surowców energetycznych oraz z wytwarzaniem i dystrybucją energii elektrycznej. W mikroskali (a zatem z punktu widzenia przedsiębiorstwa lub ogólnie użytkowników) bezpieczeństwo energetyczne powiązane jest silnie z pewnością zasilania elektrycznego oraz z jakością dostarczanej energii elektrycznej. W wyniku masowego pojawienia się w użytkowaniu odbiorników o znacznych nieliniowościach, jak również zawierających elementy zachowawcze (indukcyjności, pojemności) w rezultacie wzajemnego oddziaływania elektromagnetycznego urządzeń (zagadnienia kompatybilności elektromagnetycznej 1 ) na odbiorniki energii mogą oddziaływać zaburzenia, które z kolei mogą wywołać zakłócenia prawidłowości pracy urządzeń bądź doprowadzać do ich awarii 2. Szczególnej wagi nabiera zatem problematyka zapewnienia prawidłowej, niezakłóconej pracy użytkowanych odbiorników energii. Pewność i jakość zasilania elektrycznego można zwiększyć poprzez zastosowanie systemów zasilania gwarantowanego z podwójnym przetwarzaniem energii (UPS on-line) 3. Urządzenia te (jako beztransformatorowe) nie wprowadzają separacji elektrycznej odbiorników od sieci zasilającej, zapewniają natomiast separację energetyczną. Przy właściwie dobranych systemach zasilania gwarantowanego umożliwia to poprawę jakości dostarczanej do odbiorników energii elektrycznej, eliminację oddziaływania sieciowych zaburzeń przewodzonych, podtrzymanie zasilania odbiorników w chwilach przerw w zasilaniu sieciowym (stwarzające możliwość przeprowadzenia w określonym czasie bezpiecznego zakończenia realizowanych procesów), osiągnięcie wzrostu niezawodności systemu zasilania 1 Charoy A., Compatibilite electromagnetique. Parasites et perturbations des electroniques. 1-4, Paris Bednarek K., Kasprzyk L., Suppression of higher harmonic components introduction to the networks and improvement of the conditions of electric supply of electrical equipment, Przegląd Elektrotechniczny 2012, No 12b, s Bednarek K., Jakość, pewność i właściwa konstrukcja układu zasilania a bezpieczeństwo urządzeń elektrycznych, Elektro.info 2012, nr 12, s

3 (dodatkowo przez zastosowanie układów redundantnych) oraz ograniczenie negatywnego oddziaływania odbiorników nieliniowych i niesymetrycznych na sieć zasilającą. W niniejszej pracy zajęto się tematyką wzrostu bezpieczeństwa zasilania elektrycznego poprzez poprawę pewności i jakości dostarczanej do odbiorników energii elektrycznej oraz ograniczanie wprowadzania do sieci energetycznej zaburzeń generowanych przez odbiorniki nieliniowe i niesymetryczne jako efektów zastosowania systemu zasilania gwarantowanego, na przykładzie UPS EVER POWERLINE GREEN 33. Zamieszczono i skomentowano wyniki zrealizowanych badań fizycznych: poprawy stabilności wartości napięcia wyjściowego UPS w stosunku do wahań napięcia wejściowego (sieciowego), jak również przy nagłych zmianach wartości mocy załączanego obciążenia, wprowadzenie równomierności obciążenia faz sieci zasilającej mimo silnej niesymetrii podłączonych do UPS odbiorników, zmniejszenie odkształceń prądu pobieranego z sieci w stosunku do odkształceń prądu pobieranego na wyjściu UPS przez odbiornik o silnej nieliniowości oraz selektywność działania zabezpieczeń na liniach dystrybucji zasilania (jako efektu wysokiego prądu zwarcia UPS). Zaprezentowano również rezultaty badań dodatkowej funkcjonalności UPS EVER, jaką jest kompensacja mocy biernej. ODDZIAŁYWANIE ZABURZEŃ W SIECIACH ELEKTROENERGETYCZNYCH Osprzęt elektryczny, elektroniczny czy informatyczny podlega ciągłemu burzliwemu rozwojowi, w rezultacie czego wzrasta poziom zaawansowania technicznego urządzeń. Stosuje się w nich coraz więcej elementów zachowawczych (biernych) oraz nieliniowych. W trakcie ich funkcjonowania powstają stany nieustalone, efekty łączeniowe, odkształcenia prądów i napięć, asymetrie obciążenia. Ma miejsce zdyskretyzowany, impulsowy pobór energii. Powstają impulsowe zaburzenia przejściowe, wyższe harmoniczne prądów i napięć, wahania wartości napięć, a zatem dochodzi do oddziaływania zaburzeń w rozgałęzionych obwodach i sieciach elektrycznych. W efekcie tych oddziaływań może dochodzić do zakłócania prawidłowego funkcjonowania urządzeń. Mechanizm przenikania zaburzeń do obwodów elektrycznych nazywa się sprzężeniem. W rezultacie oddziaływania sprzężeń (niepożądanych, pasożytniczych) indukcyjnych, pojemnościowych bądź przez wspólną impedancję w obwodach sąsiednich mogą powstawać (generować się) sygnały zaburzające. Do najczęściej występujących zaburzeń w sieciach elektroenergetycznych należą: zaniki napięcia (krótkotrwałe bądź długotrwałe),

4 wahania wartości napięcia (wzrosty lub zapady napięcia), przepięcia (krótkotrwałe impulsy wysokonapięciowe), wahania częstotliwości napięcia, odkształcenia przebiegu napięcia (wyższe harmoniczne). Ze względu na skalę wykorzystania w gospodarce oraz życiu prywatnym człowieka urządzeń elektrycznych, elektronicznych i informatycznych, częste ich nagromadzenie w bliskim otoczeniu oraz wzajemne oddziaływanie na siebie niezwykle istotnym problemem jest zapewnienie prawidłowej, niezakłóconej pracy każdego z tych obiektów. W celu osiągnięcia harmonijnego funkcjonowania poszczególnych urządzeń we wspólnym środowisku (przy zasilaniu ze wspólnej sieci) w procedurach związanych z kompatybilnością elektromagnetyczną ustalono dopuszczalne poziomy oddziaływań zarówno w zakresie emisyjności (wprowadzania do środowiska), jak również odporności (ograniczonej wrażliwości na oddziaływanie zaburzeń), jakie każdy z tych obiektów elektrycznych i elektronicznych powinien spełniać 4. Oddziaływania zaburzeń związane są między innymi z jakością dostarczanej do odbiorników energii elektrycznej. Zgodnie z zapisami IEC ACEC (International Electrotechnical Commission Advisory Committee on Electromagnetic Compatibility): jakość energii elektrycznej determinowana jest przez zbiór parametrów opisujących właściwości procesu dostarczania energii do użytkownika w normalnych warunkach pracy, określających ciągłość zasilania (długie i krótkie przerwy w zasilaniu) oraz charakteryzujących napięcie zasilania (wartość, niesymetrię, częstotliwość, kształt przebiegu czasowego) 5. WAGA JAKOŚCI ENERGII W ZASILANIU URZĄDZEŃ Jakość energii elektrycznej 6 ma bezpośredni wpływ na prawidłowość funkcjonowania, trwałość i bezpieczeństwo urządzeń, na powstające straty energetyczne, jak też na ciągłość przetwarzania danych lub realizacji procesów produkcyjnych. Podstawowymi parametrami determinującymi jakość energii (jak sprecyzowano wyżej) są: wartość i częstotliwość napięcia, odkształcenia przebiegu napięcia, jak również ciągłość zasilania. 4 Bednarek K., Electromagnetic compatibility the standard and legal problems, [w:] Computer applications in electrical engineering, R. Nawrowski (red.), Poznań 2006, s Hanzelka Z., Warecki J., Piątek K., Chmielowiec K., Zła jakość energii elektrycznej a zagrożenie pożarowe analiza przypadku, [w:] Ochrona przeciwpożarowa w instalacjach elektrycznych, (pr. zb), Warszawa Bielecki S., Jakość energii elektrycznej na rynku energii, Przegląd Elektrotechniczny 2007, nr 7/8, s

5 Oddziałujące w obwodach elektrycznych i elektronicznych zaburzenia mogą zakłócać prawidłową pracę urządzeń i wywoływać szereg niekorzystnych skutków, do których można zaliczyć: powstawanie dodatkowych strat mocy, przegrzewanie się urządzeń, uszkodzenia podzespołów elektrycznych lub elektronicznych, utratę przetwarzanych informacji i danych, powstawanie przestojów w pracy urządzeń (w wyniku awarii lub zadziałania zabezpieczeń), zakłócanie pracy oraz przedwczesne starzenie się osprzętu, powstawanie dodatkowych drgań mechanicznych i nierównomierności pracy urządzeń z masami wirującymi (silników, układów napędowych), zmiany parametrów technicznych oraz sprawności odbiorników, powstawanie zagrożeń pożarowych itp. BEZPIECZEŃSTWO W MIKROSKALI POPRAWA WARUNKÓW ZASILANIA ELEKTRYCZNEGO Pewność i jakość dostarczanej do odbiorników energii można zwiększyć za pomocą różnych środków technicznych 7. Szczególnie jest to istotne w przypadku zasilania tzw. odbiorników o znaczeniu strategicznym, czyli takich, w których nawet krótkotrwałe przerwy w zasilaniu bądź nieprawidłowości parametrów napięcia zasilającego, a także oddziaływanie zaburzeń sieciowych mogą doprowadzić do utraty przetwarzanych informacji i danych, nagłego niekontrolowanego przerwania procesów technologicznych (prowadzącego często do powstania dotkliwych strat ekonomicznych) albo do wystąpienia zagrożeń dla zdrowia lub życia ludzi. Jednym z bardzo korzystnych sposobów poprawy jakości i pewności zasilania elektrycznego jest wykorzystanie systemów zasilania gwarantowanego z podwójnym przetwarzaniem energii (UPS on-line) 8. Dzięki ich właściwemu zastosowaniu osiąga się: poprawę wartości, częstotliwości i kształtu napięcia dostarczanego do zabezpieczanych odbiorników, co korzystnie wpływa na ich warunki funkcjonowania, 7 Pasko M., Lange A., Kompensacja mocy biernej i filtracja wyższych harmonicznych za pomocą filtrów biernych LC, Przegląd Elektrotechniczny 2010, nr 4, s Bednarek K., Kasprzyk L., Suppression..., op.cit.

6 wyeliminowanie oddziaływania przenoszonych przez przewodzenie zaburzeń sieciowych (powstających w wyniku podłączenia do wspólnej sieci przez innych odbiorców obciążeń nieliniowych, niesymetrycznych bądź wielokrotnie przełączanych), wzrost pewności, niezawodności dostarczania do odbiorników energii elektrycznej o określonej jakości (również w przypadkach zaników zasilania sieciowego); dodatkowe zwiększenie niezawodności układu zasilania można osiągnąć przez zastosowanie systemów redundantnych (nadmiarowych w stosunku do tego, co jest konieczne), zmniejszenie niekorzystnego oddziaływania odbiorników o silnych nieliniowościach bądź niesymetriach na sieć elektroenergetyczną i pracujące w niej inne urządzenia odbiorcze. Wszystkie te elementy wpływają bezpośrednio na poprawę jakości i niezawodności zasilania elektrycznego zabezpieczanych odbiorników, a zatem na poprawę bezpieczeństwa energetycznego w mikroskali (odbiorców energii). SYSTEMY ZASILANIA GWARANTOWANEGO Zasadniczą funkcją systemów zasilania gwarantowanego UPS (Uninterruptible Power Systems) 9 jest dostarczenie energii elektrycznej do zasilanych odbiorników w określonym czasie w przypadku zaniku lub nieprawidłowości napięcia sieciowego, jak również poprawa parametrów i w ogóle jakości zasilania elektrycznego. Realizację tak postawionych zadań uzyskuje się w rezultacie bieżącego monitorowania stanu napięcia sieciowego oraz takiego zarządzania energią z sieci, blokami funkcjonalnymi zasilacza UPS i energią zgromadzoną w akumulatorach, aby zapewnić jak najkorzystniejsze warunki zasilania zabezpieczanych odbiorników, a w przypadku zaniku lub nieprawidłowości napięcia sieciowego podtrzymać zasilanie odbiorników w określonym czasie, umożliwiającym bezpieczne zakończenie realizowanych procesów 10. Ogranicza się w ten sposób powstawanie stanów awaryjnych odbiorników, jak również straty ekonomiczne i zasobowe wynikające z niekontrolowanego przerwania funkcjonowania urządzeń lub realizowanych procesów technologicznych bądź utraty przetwarzanych informacji. W zależności od poziomu zaawansowania technicznego, spełnianych funkcji, a zatem rozwiązań konstrukcyjnych wśród układów zasilania gwarantowanego UPS rozróżnia się systemy: 9 Wiatr J., Miegoń M., Zasilacze UPS oraz baterie akumulatorów w układach zasilania gwarantowanego, seria Zeszyty dla elektryków - nr 4, Warszawa Bednarek K., Jakość..., op.cit.

7 VFD (Voltage Frequency Dependent) off-line, VI (Voltage Independent) line interactive, VFI (Voltage Frequency Independent) on-line. Zasilacze VFD oraz VI stosowane są do zasilania urządzeń mniejszych mocy. W przypadku prawidłowości (występowania dopuszczalnych zmian) napięcia wejściowego realizowany jest tryb normalny (sieciowy), podczas którego odbiorniki zasilane są niekondycjonowanym napięciem sieciowym (w układach VI korygowana jest wartość napięcia). Podczas zaników bądź nieprawidłowości napięcia sieciowego zasilacz przechodzi do trybu rezerwowego i zasila zabezpieczane odbiorniki dzięki energii zgromadzonej w akumulatorach. Czas przełączania z pracy sieciowej na rezerwową jest krótki (rzędu kilku milisekund), co w większości przypadków nie jest uciążliwe dla pracy odbiorników. W sytuacjach zasilania odbiorników szczególnie wrażliwych nawet na bardzo krótkotrwałe przerwy w zasilaniu zaleca się zastosowanie UPS VFI. W zasilaczach VFI (on-line) wejście UPS zasilane jest z sieci elektroenergetycznej (rys. 1). Występuje w nich podwójne przetwarzanie energii. Rys. 1. Schemat blokowy zasilacza UPS VFI (on-line) Przemienne napięcie sieciowe w blokach wejściowych przetwarzane jest na napięcie stałe. Za pomocą magistrali napięcia stałego z obwodu stałonapięciowego dostarczane jest ono na wejście falownika, gdzie zostaje przetworzone na napięcie przemienne o ściśle kontrolowanych parametrach i dostarczone do zabezpieczanych odbiorników energii (tryb pracy normalny). Jednocześnie część energii z obwodu stałonapięciowego dostarczana jest do układu akumulatorów. Dzięki temu baterie utrzymywane są w stanie pełnego naładowania

8 (mimo nieznacznego ubytku energii występującego w procesie samorozładowania). W przypadku zaniku napięcia sieciowego bądź nieprawidłowości jego parametrów (gdy wartość lub częstotliwość wykraczają poza założone, tolerowane zakresy) zabezpieczane odbiorniki zasilane są bezprzerwowo napięciem o wzorcowych parametrach dzięki energii zgromadzonej w akumulatorach (zasobnikach energii). Realizowany jest wówczas tryb zasilania bateryjny (rezerwowy). Czas podtrzymania zasilania zależy od ilości zgromadzonej energii (zastosowanych zasobników modułów bateryjnych), od podłączonego na wyjściu obciążenia, w pewnym stopniu również od parametrów środowiskowych (temperatury, wilgotności) i powinien zostać tak dobrany, aby bezpiecznie zakończyć realizowane procesy w zasilanych odbiornikach i dokonać ich kontrolowanego wyłączenia. WYNIKI BADAŃ W celu wykazania i zobrazowania poprawy warunków pracy odbiorników energii elektrycznej oraz sieci zasilającej współpracujących z systemem zasilania gwarantowanego (UPS) przeprowadzono badania wybranego układu fizycznego. Dokonano pomiarów napięć, prądów, mocy, współczynników THDi, THDu oraz zawartości poszczególnych harmonicznych napięcia od strony zasilania sieciowego i na wyjściu UPS przy zmianach mocy oraz charakteru obciążenia (nieliniowość, symetria sygnału) i przeanalizowano uzyskane rezultaty. Rozważano wpływ systemu UPS on-line na poprawę bezpieczeństwa energetycznego lokalnego odbiorcy energii, jak również ograniczenie negatywnych oddziaływań elementów odbiorczych na sieć energetyczną. Obiektem badań był UPS EVER POWERLINE GREEN 33 o parametrach: Fazowość zasilania we/wy 3 / 3 Moc wyjściowa 40 kva / 32 kw Napięcie wejściowe V ± 2% Napięcie wyjściowe 3 x 400 V ± 2% Częstotliwość napięcia wejściowego Hz ± 1 Hz Częstotliwość napięcia wyjściowego 50 Hz ± 0,1 Hz / synchronicznie Współczynnik mocy PF > 0,99 Podczas realizowanych badań obserwowano zachowanie się sygnału napięciowego na wyjściu UPS EVER POWERLINE GREEN 33 (zasilającego odbiorniki) przy powstawaniu stabilnych zmian wartości, krótkotrwałych zapadów oraz zaników napięcia sieciowego (zasilającego UPS). UPS wyeliminował oddziaływanie zaburzeń napięcia sieciowego na

9 zasilane odbiorniki. Niezależnie od warunków zasilania na wejściu UPS (sieciowego) zasilacz dostarczał do odbiorników napięcie stabilne, o sinusoidalnym kształcie i pomijalnie małej zawartości harmonicznych. Następnie przeprowadzono badanie wpływu zmian podłączanego obciążenia (stan stabilny dla bardzo małego obciążenia oraz dla obciążenia znamionowego) na wartość napięcia zasilającego UPS oraz napięcia dostarczanego do odbiorników. Wyniki zrealizowanych pomiarów zamieszczono na rys. 2. a) wejście UPS (sieć elektroenergetyczna) stan jałowy obciążenie znamionowe b) wyjście UPS (obwód obciążenia) stan jałowy obciążenie znamionowe Rys 2. Zmiana wartości napięcia odpowiednio na wejściu (a) oraz na wyjściu (b) UPS w stanie jałowym oraz przy obciążeniu znamionowym Wartość skuteczna napięcia wejściowego UPS (sieciowego) zależna była od obciążenia wynosiła odpowiednio 227,1 V oraz 220,0 V przy zmianach obciążenia z jałowego na znamionowe, czyli zmieniła się o 7,1 V. Wartość napięcia wyjściowego UPS (dostarczanego

10 do odbiorników) utrzymywała się niezmiennie w wąskim zakresie: od 232,0 V do 230,9 V, czyli uległa zmianie tylko o 1,1 V. Przy podobnych pomiarach UPS EVER w nieco innych warunkach różnica wartości napięcia na wejściu (sieciowego) wynosiła kilkanaście V, natomiast napięcie wyjściowe utrzymywało się w analogicznym zakresie, jak we wcześniej opisanych badaniach 11. Wynika to z budowy i własności funkcjonalnych UPS on-line, który wytwarza stabilne napięcie niezależne od jakości dostarczonej energii elektrycznej. Przeprowadzono również badania przejściowych (chwilowych) zmian napięcia wyjściowego UPS (zasilającego odbiorniki) w trakcie dynamicznych, skokowych zmian obciążenia z jałowego do znamionowego oraz ze znamionowego na jałowe. Próba odbywała się przy trudnych warunkach pracy dla UPS, ponieważ oprócz nagłej pełnej zmiany obciążenia odbywało się to przy skrajnej niesymetrii obciążenia faz zasilacza miało miejsce pełne obciążanie jednej fazy, a pozostałe dwie nie były obciążane w ogóle. Wyniki uzyskanych pomiarów zamieszczono na rys. 3. a) b) Rys. 3. Zmiana wartości napięcia na wyjściu UPS podczas skokowej zmiany obciążenia: od minimalnego do znamionowego (a) oraz od znamionowego do minimalnego (b), przy niesymetrycznym obciążeniu faz ( I max = 42 A; faza L1 ) Podczas skokowych zmian obciążenia fazy L1 od 0 W do wartości znamionowej oraz od znamionowego do 0 W chwilowe zmiany wartości amplitudy napięcia nie przekraczały 12 V (przy dopuszczalnej normatywnie zmianie o 32 V). UPS w niekorzystnych stanach przejściowych (dynamicznych zmian obciążenia) utrzymywał bardzo stabilne napięcie dostarczane do odbiorników, umożliwiając im niezakłócone, prawidłowe funkcjonowanie. 11 Bednarek K., Kasprzyk L., Suppression..., op.cit.

11 Jednym z bardzo istotnych elementów prawidłowości zasilania elektrycznego odbiorników jest kształt dostarczanego napięcia. Odkształcenia przebiegu napięciowego niekorzystnie wpływają na pracę urządzeń. Mogą powodować powstawanie dodatkowych strat mocy, przegrzewanie się podzespołów oraz przewodów neutralnych, przedwczesne starzenie się urządzeń, wadliwe funkcjonowanie osprzętu elektrycznego itp. Z tych względów jako kolejny element analiz przeprowadzono badania kształtu napięcia na wejściu i wyjściu UPS EVER POWERLINE GREEN 33 oraz zawartości harmonicznych w tych przebiegach, jak również całkowitych współczynników zniekształceń (współczynnik zawartości harmonicznych) napięcia THDu. Wyniki zrealizowanych pomiarów zamieszczono na rys. 4. a) wejście UPS kształty przebiegów napięcia i prądu widmo harmonicznych napięcia oraz THD b) wyjście UPS kształty przebiegów napięcia i prądu widmo harmonicznych napięcia oraz THD Rys. 4. Kształt oraz harmoniczne napięć odpowiednio na wejściu (a) oraz na wyjściu (b) UPS przy obciążeniu niesymetrycznym i nieliniowym Dokonując analizy kształtu napięcia wejściowego (sieciowego) zauważyć można, że występują w nim pewne nierównomierności, spłaszczenia szczytów sinusoidy. Współczynnik

12 zniekształceń tego napięcia wynosi 2,1%. Napięcie wyjściowe UPS (doprowadzane do odbiorników) ma regularny, sinusoidalny kształt, a jego współczynnik THDu wynosi 0,7%, jest trzykrotnie mniejszy niż napięcia wejściowego. Dodać należy, że odbywa się to przy niesymetrycznym i nieliniowym obciążeniu UPS odbiornik załączony jest tylko w jednej fazie, a prąd pobierany jest półokresowo. Zasilacz UPS dokonuje symetryzacji zasilania równomiernie są obciążane wszystkie fazy sieci zasilającej, co bardziej szczegółowo przedstawiono na rys. 5. a) wejście UPS wartości prądów, napięć i mocy przebiegi czasowe prądów fazowych b) wyjście UPS wartości prądów, napięć i mocy przebiegi czasowe prądów fazowych Rys. 5. Parametry zasilania oraz kształt prądu odpowiednio na wejściu (a) oraz na wyjściu (b) UPS przy podłączeniu obciążenia niesymetrycznego i nieliniowego Na rys. 5b zamieszczono wyniki badań parametrów elektrycznych na wyjściu UPS oraz kształtu prądu pobieranego przez odbiornik. Zauważyć można, że prąd płynie tylko w fazie L1 i pobierany jest półokresowo (występują zatem silne odkształcenia prądu obciążenia z

13 uwagi na charakter załączonego odbiornika). UPS z sieci zasilającej pobiera natomiast prąd trójfazowo (rys. 5a). Poszczególne fazy zasilania sieciowego obciążone są równomiernie (prądy mają wartości około 3 A). Ma zatem miejsce symetryzacja prądu pobieranego przez UPS z sieci, podczas niesymetrycznego i nieliniowego obciążania zasilacza przez odbiornik. W systemach zasilania gwarantowanego na wyjściu zasilacza UPS odbiorniki mogą być pogrupowane w kilka linii, w których stosowane są dodatkowo zabezpieczenia liniowe (zwarciowe i przeciążeniowe), co przedstawiono na rys. 6. Jeśli wystąpi zwarcie (stan awaryjny) w odbiorniku jednej z zasilanych linii, wówczas w przypadku niskiego prądu zwarcia zasilacza UPS może on przejść w stan awaryjny i odłączyć zasilanie od wszystkich linii. W takiej sytuacji wszystkie odbiorniki nagle, niekontrolowanie przestałyby pracować, co mogłoby pociągnąć za sobą niekorzystne (opisane wcześniej) konsekwencje. Rys. 6. Przykładowe rozwiązanie połączeń UPS z liniami zasilanych odbiorników, z zastosowaniem bezpieczników liniowych Badany zasilacz UPS EVER POWERLINE GREEN 33 ma duży prąd zwarcia. W chwili wystąpienia zwarcia w jednej z linii duży prąd zasilacza powoduje zadziałanie bezpiecznika liniowego (w torze, w którym wystąpiło zwarcie) i odłączenie tylko tej części obwodu, a odbiorniki w pozostałych liniach zasilane są nieprzerwanie przez UPS. Na rysunku 5 przedstawiono przebiegi prądów zwarciowych odpowiednio przy zastosowaniu bezpieczników liniowych B16 oraz B32. Czas usuwania zwarcia (zadziałania bezpiecznika

14 liniowego) w przeprowadzonych próbach w przypadku bezpiecznika B16 wyniósł 1,9 ms, natomiast podczas zastosowania bezpiecznika B32 wyniósł 3,9 ms (rys. 7). Przebiegi prądów i czasy likwidacji zwarcia będą różne w zależności od chwili wystąpienia stanu zwarcia (wartości chwilowej napięcia, przy której miało miejsce zwarcie). Po zadziałaniu bezpieczników UPS EVER POWERLINE GREEN 33 nadal zasilał pozostałe linie (zabezpieczane odbiorniki). a) dla bezpiecznika B16 b) dla bezpiecznika B32 Rys. 7. Przebiegi liniowych prądów zwarciowych zarejestrowane podczas badań stanu zwarcia w jednej z linii, przy zastosowaniu bezpieczników B16 oraz B32 Szczególną dodatkową funkcjonalnością, zgłoszoną w Urzędzie Patentowym, zastosowaną w UPS EVER POWERLINE GREEN 33 jest kompensacja mocy biernej (bez stosowania dodatkowych urządzeń kompensujących) 12. Polega ona na takim zarządzaniu prądem pobieranym z sieci energetycznej przez układy wejściowe UPS, że następuje pełna kompensacja mocy biernej pobieranej przez zasilacz z sieci. Na rys. 8a przedstawiono rezultaty pomiarów mocy, prądów i napięć na wejściu po załączeniu UPS. Obwody wejściowe UPS pobierają moc bierną pojemnościową o wartości 1,7 kvar. Po wprowadzeniu kompensacji mocy biernej przez UPS (rys. 8b) pobierana moc bierna zmienia charakter na indukcyjny (taką mocą w pewnym zakresie można obciążać sieć) i osiąga wartość 0,03 kvar. Zwarzywszy na fakt, że UPS on-line pracuje często całodobowo oraz że opłaty za ponadumowny pobór mocy biernej są nawet 3-krotnie wyższe od opłat za pobór mocy czynnej (użytecznej), można łatwo oszacować oszczędności finansowe, wynikające z kompensacji mocy biernej, osiągane przez użytkownika miesięcznie bądź w skali roku. Są to 12 Bednarek K., Kompensacja mocy biernej i praca hybrydowa w systemach zasilania gwarantowanego (UPS), Academic Journals, Electrical engineering, Poznan Uniwersity of Technology 2013, nr 74, s

15 znaczące kwoty, co dla przedsiębiorstw ma zawsze istotne znaczenie. Dzięki kompensacji mocy biernej osiąga się dodatkowe korzyści w postaci odblokowania możliwości przesyłowych energii użytecznej (czynnej) za pomocą istniejących urządzeń przesyłowych. Istnieje również możliwość wprowadzenia kompensacji mocy biernej przez UPS urządzeń załączonych równolegle z zasilaczem do wspólnej sieci zasilającej (bez dołączania dodatkowych urządzeń kompensacyjnych). a) przed kompensacją b) po kompensacji Rys. 8. Rezultaty pomiarów związanych z kompensacją mocy biernej UWAGI I WNIOSKI Ze względu na poziom uzależnienia gospodarki (jak również działalności prywatnej człowieka) od dostaw energii elektrycznej zagadnienia bezpieczeństwa energetycznego należą do grupy problemów o najwyższym priorytecie zarówno w makroskali (w zakresie kraju bądź regionu), jak również w mikroskali (bezpośrednio dla przedsiębiorstw czy użytkowników). Przeprowadzone badania sygnału napięciowego na wyjściu UPS EVER POWERLINE GREEN 33 (zasilającego odbiorniki) przy powstawaniu stabilnych zmian wartości, krótkotrwałych zapadów oraz zaników napięcia sieciowego (zasilającego UPS) wykazały jednoznacznie, że UPS wyeliminował oddziaływanie zaburzeń napięcia sieciowego na zasilane odbiorniki. Przy dynamicznych (skokowych) zmianach obciążenia od stanu jałowego (brak obciążenia) do wartości znamionowej oraz od znamionowego do jałowego chwilowe (przejściowe) zmiany wartości amplitudy napięcia dostarczanego do odbiorników przez UPS były znikomo małe (kilkakrotnie niższe od dopuszczalnych w normach).

16 Analiza napięć na wyjściu UPS (zasilania odbiornika) oraz na wejściu zasilacza (dostarczanego z sieci) wykazała, że UPS znacznie poprawił kształt i parametry napięcia zasilającego odbiorniki (w stosunku do zasilania sieciowego). Zarówno symetryzacja obciążenia sieci elektroenergetycznej przez UPS przy niesymetrycznym obciążeniu faz zasilacza trójfazowego, jak również funkcja kompensacji mocy biernej pozytywnie wpływają na sieć elektroenergetyczną, a jednocześnie przynoszą wymierne, korzystne efekty (oszczędności finansowe) dla odbiorcy energii (użytkownika). Przeprowadzone badania wykazały, że system zasilania gwarantowanego UPS VFI (on-line), poza bezprzerwowym dostarczeniem energii, umożliwia zasilenie odbiorników napięciem o korzystniejszych, ściśle kontrolowanych parametrach (niezależnie od nieprawidłowości występujących w napięciu sieciowym), a jednocześnie ograniczenie negatywnego oddziaływania odbiorników nieliniowych i niesymetrycznych na sieć elektroenergetyczną, co ewidentnie przyczynia się do poprawy bezpieczeństwa energetycznego w mikroskali. Literatura 1. Bednarek K., Electromagnetic compatibility the standard and legal problems, [w:] Computer applications in electrical engineering, R. Nawrowski (red.), Poznań 2006, s Bednarek K., Jakość, pewność i właściwa konstrukcja układu zasilania a bezpieczeństwo urządzeń elektrycznych, Elektro.info 2012, nr 12, s Bednarek K., Kompensacja mocy biernej i praca hybrydowa w systemach zasilania gwarantowanego (UPS), Academic Journals, Electrical engineering, Poznan Uniwersity of Technology 2013, nr 74, s Bednarek K., Kasprzyk L., Suppression of higher harmonic components introduction to the networks and improvement of the conditions of electric supply of electrical equipment, Przegląd Elektrotechniczny 2012, No 12b, s Bielecki S., Jakość energii elektrycznej na rynku energii, Przegląd Elektrotechniczny 2007, nr 7/8, s Charoy A., Compatibilite electromagnetique. Parasites et perturbations des electroniques. 1-4, Paris Hanzelka Z., Warecki J., Piątek K., Chmielowiec K., Zła jakość energii elektrycznej a zagrożenie pożarowe analiza przypadku, [w:] Ochrona przeciwpożarowa w instalacjach elektrycznych, (pr. zb), Warszawa Pasko M., Lange A., Kompensacja mocy biernej i filtracja wyższych harmonicznych za pomocą filtrów biernych LC, Przegląd Elektrotechniczny 2010, nr 4, s Wiatr J., Miegoń M., Zasilacze UPS oraz baterie akumulatorów w układach zasilania gwarantowanego, seria Zeszyty dla elektryków - nr 4, Warszawa 2008.

17 Publikacja: Bezpieczeństwo energetyczne. Rynki surowców i energii teraźniejszość i przyszłość, tom 2. Technologia Prawo Ochrona środowiska, praca zbiorowa pod redakcją P. Kwiatkiewicza, Fundacja na rzecz Czystej Energii, Poznań 2014, s Nota biograficzna: dr inż. Karol Bednarek Absolwent Wydziału Elektrycznego Politechniki Poznańskiej. Od 1990 r. pracownik naukowo-dydaktyczny Instytutu Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej (IEEP) Politechniki Poznańskiej. W latach zastępca Dyrektora IEEP. Prowadził i nadal realizuje prace teoretyczne oraz badawcze w zakresie elektrotechniki, elektroniki motoryzacyjnej, kompatybilności elektromagnetycznej oraz pomiarów i oddziaływań pól elektromagnetycznych na urządzenia techniczne i organizmy żywe. Od 2011 r. konsultant techniczny firmy EVER Sp. z o.o., znanego polskiego producenta systemów zasilania gwarantowanego, a od stycznia 2013 r. kierownik Działu Wsparcia Technicznego firmy EVER Sp. z o.o.