TOPOLOGIE ZASILACZY UPS

Transkrypt

1 mgr inż. Piotr Strzelecki TOPOLOGIE ZASILACZY UPS Zasilacze awaryjne UPS są najpopularniejszym i najskuteczniejszym środkiem do przeciwdziałania zakłóceniom zasilania oraz kondycjonowania energii (polepszania jakości). W zależności od przeznaczenia są to różne konstrukcje, o różnym stopniu komplikacji układowej i złożoności rozwiązań. Niemniej jednak, charakteryzują się pewnymi wspólnymi cechami. Praktycznie w każdym z tych urządzeń można wyróżnić przynajmniej dwa tryby pracy: Tryb normalny (praca sieciowa) kiedy to energia do zasilania odbiorników pobierana jest z energetycznej sieci zasilającej. W tym trybie zasilacz awaryjny nie czerpie ze źródła energii zmagazynowanej, lecz uzupełnia to źródło i konserwuje. Najpopularniejsze źródło energii zmagazynowanej to oczywiście pakiet akumulatorów, chociaż mogą to być także zasobniki energii kinetycznej lub superkondensatory. Tryb buforowy (praca bateryjna) kiedy energia do zasilania odbiorów jest dostarczana ze źródła energii zmagazynowanej. Aby określić przydatność urządzeń zasilania awaryjnego (UPS) do eliminacji problemów zasilania, powstała spójna klasyfikacja opierająca się na analizie funkcjonalnej i dynamicznej wymaganych i pożądanych parametrów funkcjonalnych tych urządzeń. Klasyfikacja UPS opisana jest w normie PN- EN Oznaczenie UPS wg tej normy tworzone jest wg formuły AAA-BB-CCC. Pierwsze trzy znaki AAA oznaczają statyczne predyspozycje urządzania do realizacji pewnej funkcjonalności: VFD (Voltage Frequency Dependent) Skrót mówi, że zasilacz awaryjny UPS posiada wyjście zależne od napięcia i częstotliwości przebiegu wejściowego (rys. 1). Innymi słowy nie jest on w stanie korygować wartości napięcia ani częstotliwości przebiegu wejściowego, czyli nie eliminuje tego typu zaburzeń. Praktycznie oznacza to, że odbiorniki są zasilane nie korygowanym przebiegiem sieciowym. Zasilacze tego typu zazwyczaj posiadają odpowiedni zastaw filtrów, aby wyeliminować przepięcia. Działają w myśl zasady, że jeżeli wejściowe napięcie mieści się w pewnym zakresie (wejściowe okno napięciowe), zazwyczaj jest to pełna dopuszczalna tolerancja 20% +15% ( V AC rms), to dostarczają odfiltrowany przebieg na wyjście bez zmiany jego parametrów napięciowych i częstotliwościowych. Jeżeli napięcie wejściowe jest poza oknem tolerancji (< 164 lub > 264 V AC rms), interweniują pracą bateryjną, przejmując obciążenie na własny falownik. Budowane zazwyczaj jako komutowane (zmiana trybu pracy związana jest z wygenerowaniem kilku milisekundowej przerwy w zasilaniu). Niektóre z bardziej zaawansowanych modeli kontrolują jeszcze częstotliwość według identycznego schematu oraz synchronizują przebiegi komutowane w celu obniżenia stresu prądowego w obciążeniu i własnych elementach komutacyjnych. Pozwala to na zachowanie płynnych przejść pomiędzy stanami pracy i skrócenie czasu rekcji (przerwy w zasilaniu podczas interwencji). Przykładem może być seria EVER ECO/ECO PRO (fot. 1).

2 Rys. 1. Schemat blokowy zasilacza VFD, na przykładzie EVER ECO/ECO PRO Na rys. 6 zamieszczono schemat przedstawiający rozwiązanie zasilacza awaryjnego wykonanego w klasie VFD na przykładzie popularnego urządzania UPS jakim jest EVER ECO/ECO PRO. Ciekawostką jest zastosowanie jednego bloku przetwarzania energii do realizacji dwóch funkcji, ładowarki baterii w trybie normalnym i falownika w trybie buforowym. Fot. 1. Zasilacze UPS EVER ECO Pro CDS (wersja Rack 19 i wersja Tower) VI (Voltage Independent) Klasa zasilaczy UPS o mechanizmie działania bardzo podobnym do VFD (są to zazwyczaj także zasilacze komutowane). Cechą odróżniającą jest to, że posiadają one zdolność do korekcji wartości skutecznej napięcia wejściowego przed dostarczeniem go do wyjścia (rys. 2). Częstotliwość w dalszym ciągu nie jest korygowana i pozostaje identyczna jak na wejściu. Wejściowe okno tolerancji napięciowej jest zazwyczaj szersze niż w przypadku VFD, dlatego że zasilacz ma zdolność korekcji napięcia bez użycia energii z akumulatorów. Schemat działania jest także podobny do VFD z tym, że UPS (pozostając w pracy sieciowej) wykorzystuje wewnętrzne układy funkcjonalne do sprowadzenia napięcia wyjściowego jak najbliżej nominalnego. Fot. 2. Zasilacz UPS EVER SINLINE XL

3 UPS budowane w tej klasie praktycznie zawsze synchronizują przebiegi komutowane przed zmianą trybu pracy. Przykładem (fot. 2) mogą być serie UPS EVER SINLINE (CDS, XL, PRO). Rys. 2. Schemat blokowy zasilacza VI przykład na podstawie UPS EVER SINLINE XL Podobnie jak poprzednio zastosowano tu rozwiązanie z dwukierunkowym układem przetwarzania (ładowanie, falowanie) oraz autotransfomatorowy blok korekcji napięcia. VFI (Voltage Frequency Independent) Zasilacze awaryjne tej klasy cechują się pełną separacją energetyczną toru wyjściowego od wejściowego (niektóre konstrukcje posiadają także separację galwaniczną). Zasilacz przetwarza energię z wejścia w formę energii pośredniej, a następnie wykorzystuje ją do wygenerowania przebiegu wyjściowego o bardzo wysokiej jakości. Taki schemat działania (rys. 3) gwarantuje niezależność napięcia i częstotliwości przebiegu wyjściowego od wejściowego. Zmiana trybu pracy z sieciowego na bateryjny i odwrotnie odbywa się całkowicie bezprzerwowo. Zasilacze tego typu stosowane są do najbardziej wymagających pod względem jakości zasilania odbiorów (przykład fot. 3). Rys. 3. Schemat blokowy zasilacza VFI przykład na podstawie UPS EVER POWERLINE GREEN

4 Fot. 3. UPS EVER POWERLINE GREEN Na schemacie przedstawiono ogólny przepływ energii w torze głównym i obejściowym. Tor główny to klasyczny układ podwójnego przetwarzania. Następne dwa znaki (BB) oznaczają jakość przebiegu wyjściowego. Pierwsza pozycja oznacza jakość przebiegu wyjściowego podczas pracy normalnej (praca sieciowa), a druga podczas pracy ze źródła energii zmagazynowanej (praca bateryjna). W ramach każdej pozycji możliwe są następujące warianty symboli: Y generowane napięcie nie spełnia klasyfikacji jako przebieg sinusoidalny. X generowane napięcie jest sinusoidalne przy pełnym obciążeniu liniowym, lecz przy obciążeniu nieliniowym współczynnik zniekształceń harmoniczny przekracza 8%. S generowany przebieg jest klasyfikowany jako napięcie sinusoidalne w stanach pełnego obciążenia liniowego jak i nieliniowego, a całkowity współczynnik zniekształceń harmonicznych jest zawsze mniejszy od 8%. Należy tu podkreślić, że większość popularnych zasilaczy klasy VFD i liczne VI to jednostki budowane z tak zwaną aproksymacją sinusoidy na wyjściu w trybie pracy buforowej (klasyfikacja Y). Aproksymacja ta polega zazwyczaj na generacji przebiegu prostokątnego o wartości skutecznej zbliżonej do wartości nominalnej napięcia sieci energetycznej (230 V AC rms). Przebieg ten charakteryzuje się współczynnikiem zniekształceń harmonicznych w przedziale 30-45%, wartością szczytową przekraczającą wartość równoważnego przebiegu sinusoidalnego oraz dużą dynamiką zmian amplitudy (dużą stromością narastania). Zasilanie urządzeń takimi przebiegami powoduje znaczne przetężenia w układach wejściowych i obniża ich trwałość (duże narastania powodują nagłe przeładowania pojemności, a więc znaczny stres prądowy). Wyjątkiem są tu urządzania EVER, które to w każdej z tych klas (VFD i VI) budowane są jako urządzania sinusoidalne (klasyfikacja S lub X). Dla zilustrowania znaczenia tego faktu, poniżej przedstawione są przebiegi napięciowe w momencie zaniku dla urządzania z aproksymacją i EVER ECO/ECO PRO.

5 a) b) Rys. 4. Przebiegi napięcia wyjściowego z reakcją na zanik dla: UPS z aproksymacją sinusoidy (a) oraz UPS z przebiegiem sinusoidalnym (b) Ostatnie trzy znaki (CCC) odzwierciedlają charakterystyki dynamiczne. Pierwszy z nich klasyfikuje zachowanie zasilacza podczas zmiany trybów pracy. Drugi charakteryzuje wydajność podczas dynamicznych zmian obciążenia liniowego w trybach pracy sieciowym (normalnym) i bateryjnym. Trzeci znak ma znaczenie podobne jak drugi z tym, że zachowanie UPS jest określane dla obciążenia nieliniowego. Znaczenia na każdej z pozycji to: 3 napięcie na wyjściu spada do zera na czas nie dłuższy niż 10 ms, 2 napięcie na wyjściu spada do zera na czas nie dłuższy niż 1 ms, 1 napięcie nie spada do zera. Zasilacz UPS typu on-line klasyfikowany najwyżej powinien mieć oznaczenia VFI-SS-111. Szczegóły oceny w PN-EN W celu likwidacji wcześniej zidentyfikowanych problemów w systemie zasilania należy dobrać odpowiednie urządzenie zasilania buforowego (UPS). Możliwości eliminacji zaburzeń przez poszczególne typy UPS przedstawiono w tabeli: Kategoria UPS Zaniki Zapady/Wzrosty Przepięcia Zniekształcenia harmoniczne Wahania częstotliwości VFD + + VI VFI oznacza oddziaływanie na zakłócenie (likwidację całkowitą lub częściową), brak oddziaływania. Z powyższej tabeli wynika, że niezmiernie ważny jest prawidłowy dobór urządzeń. Pozornie wydawałoby się, że najlepiej zastosować zasilacz awaryjny klasy VFI i wszystkie problemy zostaną rozwiązane. Jeżeli chodzi o kryterium poprawy jakości zasilania, teza jest w 100% prawdziwa, jeżeli jednak rozważyć kryteria ekonomiczne i ekologiczne, to niestety nie do końca.