Kaøda przerwa w zasilaniu stanowi

Transkrypt

1 52 Gwarantowane zasilanie odbiorników energii elektrycznej Andrzej Baranecki, Tadeusz P³atek, Marek Niewiadomski Rosnπca iloúê nieliniowych odbiornikûw energii elektrycznej (komputery, sprzít RTV, regulowane napídy, przekszta tniki technologiczne itp.) powoduje coraz wiíksze problemy w sieciach zasilajπcych. Sπ to np. zwiíkszone straty w transformatorach i silnikach, zwiíkszona skuteczna wartoúê prπdu pobieranego z sieci (czíste dzia anie zabezpieczeò), awarie kondensatorûw do kompensacji mocy biernej i w filtrach p. zak Ûceniowych. Stanowi to potencjalne ürûd a pojawiajπcych sií czíúciej przerw w zasilaniu oraz przyczyny pogarszania sií parametrûw dostarczanej energii. Kaøda przerwa w zasilaniu stanowi pewnπ dolegliwoúê, lecz czísto powoduje rûwnieø bardzo wymierne straty finansowe, natomiast obniøona jakoúê energii moøe byê przyczynπ zwiíkszonej awaryjnoúci zasilanych urzπdzeò. Dla poprawy warunkûw zasilania odbiornikûw energii elektrycznej sπ stosowane pojedyncze urzπdzenia (np. UPS lub zasilacz DC z bateriπ akumulatorûw) lub rozbudowane systemy zasilania gwarantowanego. W wyborze rodzaju zasilania ñ DC czy AC ñ decyduje typ odbiornikûw, dla ktûrych jest przeznaczony uk ad zasilania. Istnieje grupa odbiornikûw zasilanych napiíciem sta ym, dedykowanych specjalnie dla uk adûw wymagajπcych zwiíkszonej niezawodnoúci pracy (np. sterowania, automatyki, monitorowania, alarmûw). Sπ to rozwiπzania stosowane od wielu lat w energetyce i przemyúle. Wraz z rozwojem energoelektroniki pojawi y sií przekszta tniki (najpierw tyrystorowe a nastípnie tranzystorowe), przetwarzajπce napiície sta e na napiície przemienne. W rezultacie bezprzerwowe zasilacze UPS (wykorzystujπce energií zgromadzonπ w akumulatorach) zapewniajπ gwarantowane zasilanie szerokiego spektrum odbiornikûw AC ñ zarûwno komputerûw jak i newralgicznych urzπdzeò przemys owych. Niezaleønie od podstawowych struktur zasilania DC i AC, istnieje szereg moøliwoúci poprawy ich niezawodnoúci. NiektÛre propozycje zostanπ przedstawione w kolejnych punktach. Gwarantowane zasilanie DC Zasilanie DC ñ dziíki energii zgromadzonej w baterii akumulatorûw ñ pozwala na bezprzerwowπ kontynuacjí pracy odbiornikûw po zaniku napiícia w sieci zasilajπcej. Nowoczesny zasilacz moøe jednak (niezaleønie od zapewnienia wymaganego procesu adowania baterii) spe niaê ca y szereg dodatkowych funkcji, poprawiajπcych niezawodnoúê uk adu zasilajπcego. Jest to m.in. automatyczne dostosowanie koòcowego napiícia adowania baterii do temperatury w jej otoczeniu. Ogranicza to spadek pojemnoúci w niskich temperaturach oraz zmniejsza spadek øywotnoúci, w przypadku eksploatacji w temperaturach Rys. 1. Podstawowe uk ady zasilania odbiornikûw DC i AC 52 Rys. 2. Zasilacz z termicznπ kompensacjπ napiícia, pomiarem prπdu ( adunku) baterii oraz wykrywaniem przerw w obwodzie baterii

2 53 Przetwornice DC/DC W przypadku, gdy niezaleønie od podstawowego napiícia w uk adzie wystípujπ odbiorniki zasilane innym (wyøszym lub niøszym) napiíciem niø napiície baterii, sπ stosowane przetwornice DC/DC. Przetwornice zapewniajπ galwanicznπ izolacjí pomiídzy wejúciem i wyjúciem oraz stabilizacjí napiícia wyjúciowego, niezaleønie od zmian napiícia baterii. Z uwagi na wymaganπ niezawodnoúê urzπdzenia ñ pracujπcego pomiídzy bateriπ a odbiornikiem ñ przetwornice mogπ byê wykonywane jako dwu- lub trûjmodu owe (redundancja), dla zapewnienia ciπg oúci zasilania nawet przy uszkodzeniu sií jednego z modu Ûw. W przypadku uszkodzenia modu jest automatycznie od πczany. Moøe byê rûwnieø od πczony przez obs ugí (w czasie pracy urzπdzenia) dla celûw serwisowych. Rys. 3 Diodowe sprzíøenie zasilaczy (z lewej) i system 3-modu owy Rys. 4. TrÛjmodu owa przetwornica DC/DC (trzy modu y po 50% In) podwyøszonych. NiektÛre zasilacze Ñpotrafiπî rûwnieø wykrywaê przerwí powsta π w obwodzie baterii (np. od πcznik, bezpiecznik, uszkodzone ogniwo) zagraøajπcπ brakiem zasilania odbiornikûw w przypadku zaniku napiícia w sieci energetycznej. W przypadku dwûch niezaleønych zasilaczy moøna zastosowaê sprzíøenie diodowe (rys.3), zapewniajπce odseparowanie uszkodzonego zasilacza od systemu. W uk adzie takim kaødy z zasilaczy powinien mieê w asny czujnik prπdowy w obwodzie baterii, dla ograniczenia maksymalnego prπdu adowania. Dla uzyskania zwiíkszonej niezawodnoúci pracy, zasilacz moøe byê np. zestawiony z kilku modu Ûw, z ktûrych ñ w przypadku wewnítrznego uszkodzenia jednego z nich, jest on automatycznie od πczany. W przypadku kilku modu Ûw po πczonych do pracy rûwnoleg ej ñ zwiíkszonπ trwa- oúê zasilacza osiπga sií przez zapewnienie wyrûwnywania prπdu obciπøenia wszystkich modu Ûw. Modu y mogπ byê zasilane z rûønych faz napiícia sieciowego, co rûwnieø wp ywa korzystnie na ciπg oúê zasilania odbiornikûw. Separatory DCDC NiezawodnoúÊ zasilania DC moøna zwiíkszyê, πczπc dwa uk ady Ñzasilacz-bateriaî tak, by wspû pracowa y ze sobπ w przypadku zaniku napiícia zasilajπcego lub uszkodzenia jednego z zasilaczy. Po πczenie takie umoøliwiajπ tzw. separatory DCDC, gwarantujπce galwanicznπ separacjí pomiídzy uk adami, z jednoczesnym zapewnieniem przep ywem prπdu sta ego. Separatory DCDC sπ urzπdzeniami o duøej przeciπøalnoúci, duøej sprawnoúci i duøej niezawodnoúci. W przypadku uszkodzenia, wewnítrzny bezpiecznik od πcza separator, nie zak Ûcajπc pracy systemu. System zasilania z wzajemnym rezerwowaniem dwûch uk adûw Ñzasilacz-bateriaî jest przedstawiony na rysunku 5. Podczas normalnej pracy separator nie przewodzi prπdu. Po zaniku napiícia w sieci energetycznej (lub uszkodzeniu zasilacza) odbiorniki sπ zasilane z baterii. Po niewielkim obniøeniu sií napiícia automatycznie w πcza sií separator i wspomaga zasilanie odbiornikûw w sekcji pracujπcej autonomicznie. Zapobiega to roz adowaniu baterii (czasami g Íbokiemu), przyczyniajπc sií do wiíkszej pew- Rys. 6. Wykorzystanie separatorûw DCDC dla zasilania wydzielonego obwodu ("A+B") Rys. 5. System zasilania (dwa uk ady Ñzasilaczbateriaî) z separatorami DCDC Rys. 7. Pierúcieniowy obwûd separatorûw w systemie wielobateryjnym 53

3 54 Rys. 8. Zasilacze UPS ze stycznikowym i statycznym obwodem obejúciowym noúci zasilania i utrzymania normatywnej øywotnoúci baterii. Wydzielony obwûd (ÑA+Bî) jest zasilany z obydwûch uk adûw, co znacznie zwiíksza ciπg oúê pracy do πczonych do niego odbiornikûw. Przedstawione rozwiπzania nie wyczerpujπ wszystkich wariantûw stosowania separatorûw DCDC ñ mogπ byê np. stosowane w systemach wielobateryjnych (rys. 7), pracujπc w uk adzie pierúcieniowym. W przypadku zaniku ktûregoú z napiíê zasilajπcych, od πczenia jednej z baterii dla celûw konserwacji lub uszkodzenia sií jednego z zasilaczy, pozosta e zapewniπ zasilanie odbiornikûw w uk adzie pozbawionym aktualnie ürûd a energii. 54 Gwarantowane zasilanie AC Podstawowym urzπdzeniem gwarantowanego zasilania odbiornikûw AC sπ bezprzerwowe zasilacze UPS. W aúciwy dobûr zasilacza wymaga znajomoúci parametrûw do πczanych odbiornikûw ñ nie tylko mocy, ale rûwnieø przebiegu pobieranego przez nie prπdu (podczas rozruchu i pracy ustalonej), przewidywanych przeciπøeò oraz wraøliwoúci odbiornikûw na krûtkie przerwy w zasilaniu. Urzπdzenie moøe zawieraê obwûd obejúciowy (bypass), realizowany przy wykorzystaniu stycznikûw lub szybkiego πcznika statycznego, zapewniajπcego wielokrotnie krûtszy czas prze πczenia (rys. 8). W obydwu przypadkach obwûd ten powinien mieê oddzielny (o wiíkszej wartoúci prπdu) bezpiecznik, niø podstawowy obwûd wejúciowy zasilacza. Zasilacze UPS ñ w podstawowej konfiguracji ñ mogπ pracowaê w trybie Off- Line i On-Line. W pierwszym przypadku odbiorniki sπ zasilane bezpoúrednio z sieci energetycznej, a podczas zaniku napiícia nastípuje prze πczenie na zasilanie z falownika, pobierajπcego energií z baterii akumulatorûw. Przy obecnoúci napiícia zasilacz zapewnia na adowanie baterii. W przypadku pracy On-Line odbiorniki sπ zasilane z falownika, a prze πczenie na sieê ma miejsce przy przeciπøeniu lub zwarciu w zasilanym obwodzie. Przy szybkim πczniku statycznym uk ad mûg by praktycznie funkcjonowaê w trybie Off-Line (ze sta π Ñja owπî pracπ falownika), jednak odbiorniki nie by yby wtedy odseparowane od bardzo krûtkotrwa ych zak ÛceÒ sieciowych. πczniki bezstykowe πcznik bezstykowy (Static Transfer Switch) jest urzπdzeniem przeznaczonym do realizowania szybkich prze πczeò w jedno- i trûjfazowych obwodach napiícia przemiennego. Sπ one rûwnieø wykonywane w wersjach z prze πczaniem przewodu neutralnego. Oferowane STS, przy zsynchronizowanych napiíciach wejúciowych realizujπ prze πczenie w czasie do 6 ms ñ przy napiíciach niezsynchronizowanych do 12 ms. Rys. 9. Schematy 1-fazowego πcznika STS (bez prze πczania i z prze πczaniem obwodu neutralnego) Czas powrotu na linií podstawowπ lub prze πczenia wymuszonego (zdalnego lub lokalnego) nie przekracza 0,2 ms. WewnÍtrzne ochronniki przeciwprzepiíciowe ochraniajπ zarûwno πczniki tyrystorowe jak i zasilane odbiorniki, a zastosowane obejúciowe πczniki mechaniczne u atwiajπ prace serwisowe. W uk adach STS-Ûw sπ stosowane wewnítrzne redundancje uk adûw zasilania, sterowania i pomiarûw, co bardzo podnosi niezawodnoúê urzπdzenia. Bardzo istotnπ cechπ πcznika STS jest rûwnieø duøa przeciπøalnoúê. Sπ oferowane πczniki o przeciπøalnoúci 1500%/20ms (1000%/200ms, 400%/5s). W przypadku πcznika 3-fazowego z prze πczaniem obwodu neutralnego, obciπøalnoúê πcznika w obwodzie N jest dwukrotnie wiíksza niø πcznika fazowego. πczniki STS pozwalajπ na realizacjí bardzo szybkich uk adûw SZR (samoczynnego za πczania rezerwy), co przy przynajmniej jednej sprawnej linii zapewnia bezprzerwowπ prací odbiornikûw czu ych na krûtkie zaniki napiícia. Uk ady z zasilaczami UPS Znacznie wiíksze moøliwoúci stwarzajπ πczniki STS w uk adach z zasilaczami UPS. Szybkie prze πczenia pomiídzy zasilaczami lub szybkie w πczanie obwodu obejúciowego zapewnia bezprzerwowπ prací odbiornikûw w stanach awaryjnych oraz pozwala na bezpieczne prowadzenie prac serwisowych. Poniøej zostanie zaprezentowanych kilka uk adûw z πcznikami STS. Na rysunku 11 jest przedstawiony system z dwoma zasilaczami UPS i wyjúciowym πcznikiem STS. W przypadku wykorzystywania centralnej baterii w uk adach UPS wystípuje ñ w miejscu zasilacza ñ prostownik z filtrem dolnoprzepustowym, przeznaczony tylko do zasilania falownika. adowanie baterii zapewnia centralny zasilacz, a w uk adzie UPS wystípuje dioda, blokujπca oddzia ywanie wejúciowego prostownika na baterií. Podobny uk ad, lecz z dodatkowym πcznikiem STS, w πczajπcym wspûlny obwûd obejúciowy, jest przedstawiony na ilustracji 12. Na rysunku 13 znajduje sií system zasilania z dwoma zasilaczami UPS w po πczeniu kaskadowym. W miejsce obwodu obejúciowego Ñdolnegoî zasilacza UPS jest w πczony drugi zasilacz. W normalnych warunkach pracuje np. Ñdolnyî falownik i Ñdolnyî obwûd wyjúciowego πcznika STS. W wewnítrznym

4 55 Rys. 11. Dwa uk ady UPS z wyjúciowym πcznikiem STS Rys. 12. Dwa zasilacze UPS ze wspûlnym obwodem obejúciowym Rys.13. Dwa zasilacze UPS w po πczeniu kaskadowym Rys. 14. Dwa zasilacze UPS z obwodami obejúciowymi i wyjúciowym STS Rys. 10. πczniki STS w uk adzie z indywidualnym i grupowym za πczaniem rezerwy STS jest w πczony obwûd obejúciowy. W przypadku przeciπøenia lub zwarcia na wyjúciu, jest w πczany ÑgÛrnyî obwûd wyjúciowego STS. Po uszkodzeniu sií Ñdolnegoî falownika, wyjúciowy STS w πcza ÑgÛrnyî obwûd, a wewnítrzny STS w πcza obwûd falownika. Pe ny uk ad z trzema πcznikami STS jest przedstawiony na rys.14. Niezaleønie od doboru oszczídnej lub pe nej konfiguracji, przy wyborze zasilacza UPS naleøy przeanalizowaê wymagania zasilanych odbiornikûw. Z regu y sπ to odbiorniki nieliniowe, pobierajπce prπd o przebiegu impulsowym. W typowym przebiegu prπdu pobieranego przez komputer (rys.15) wartoúê maksymalna jest znacznie wiíksza, niø wynika oby z mocy odbiornika. WspÛ czynnikiem okreúlajπcym stosunek szczytowej wartoúci prπdu do jego wartoúci skutecznej jest tzw. Ñcrest factorî. Im wiíksza wartoúê wspû czynnika tym zasilacz pracuje bardziej stabilnie przy obciπøeniu odbiornikami nieliniowymi. Typowπ wartoúciπ wspû czynnika Ñcrest factorî jest 3:1, ale spotyka sií zasilacze, dla ktûrych wartoúê ta wynosi nawet 9:1. Kolejnym parametrem, istotnym dla bezpiecznej pracy odbiornikûw jest poziom ograniczania wartoúci prπdu wyjúciowego podczas zwarcia. W przypadku zasilania przez UPS kilku obwodûw (rys. 16) i powstaniu w jednym z nich stanu zwarcia, nastπpi w πczenie przez STS obwodu obejúciowego. DziÍki duøej szybkoúci πcznika (prze πczenie do 6 ms i powrût do 0,2 ms) i duøej przeciπøalnoúci (1500%/20ms) nastπpi szybkie od πczenie zwartego obwodu i pozosta e obwody zasilane przez UPS nie odnotujπ zak Ûcenia w zasilaniu. Eliminacja przedstawionego zwarcia podczas autonomicznej pracy zasilacza (przy braku napiícia w sieci) jest utrudniona z powodu ograniczenia wyjúciowego prπdu zasilacza. Zwykle prπd zwarciowy jest ograniczany do 200% wartoúci prπdu znamionowego, co przed uøa czas zadzia ania bezpiecznika ñ niekiedy nawet do kilkuset milisekund. Spotyka sií zasilacze UPS o prπdzie zwarciowym ograniczanym na poziomie 600% In, co pozwala na uzyskanie czasu od πczenia zwarcia rzídu pojedynczych milisekund. Monitorowanie pracy uk adûw zasilania Bardzo istotnym czynnikiem wp ywajπcym na niezawodnoúê systemu zasilania jest sta e monitorowanie pracy urzπdzeò wchodzπcych w sk ad systemu ñ zw aszcza baterii akumulatorûw. Od kondycji baterii i jej stanu na adowania zaleøy czas podtrzymania pracy odbiornikûw po zaniku napiícia w sieci zasilajπcej. Dotyczy to oczywiúcie uk adûw DC i AC. Takie urzπdzenia jak zasilacze DC czy UPS sπ z regu y przystosowane do przekazywania informacji o aktualnych parametrach pracy. Mikroprocesorowe systemy sterowania tych urzπdzeò generujπ rûwnieø ostrzegawcze i pilne sygna y alarmowe, bπdü podejmujπ decyzje o koniecznoúci prze πczeò w systemie zasilania gwarantowanego. Pozostaje jeszcze bateria ñ w niewielkich uk adach zasilania podstawowe funkcje monitorowania moøe realizowaê zasilacz wspû pracujπcy z bateriπ, wyposaøony w odpowiednie czujniki pomiarowe oraz odpowiednie oprogramowanie systemu sterowania. Przy bardziej rozbudowanym systemie zasilania, czísto kontrolowany jest ñ oprûcz baterii, zasilaczy DC i falownikûw ñ stan izolacji obwodûw DC, dla wykrycia ewentualnego doziemienia jednego z biegunûw baterii. Monitorowanie baterii z regu y obejmuje pomiar wartoúci oraz títnieò napiícia, prπdu adowania i roz adowania oraz temperatury w otoczeniu baterii. Przy wiíkszych bateriach monitorowane sπ czasem indywidualnie pojedyncze ogniwa lub grupy ogniw. Przy mniejszych monitorowana jest ca a bateria (z ew. wyprowadzonym punktem úrodkowym). Zapisane parametry mogπ byê z regu y odczytywane bezpoúrednio z urzπdzeò uk adu zasilania lub przesy ane poprzez koncentrator i gromadzone w nadrzídnym systemie monitorowania. Pozwala on na bieøπco nadzorowaê prací urzπdzeò oraz odtwarzaê historyczne zapisy (np. konserwa- 55

5 56 Rys.15 Typowy przebieg prπdu pobieranego przez komputer cyjne roz adowanie i adowanie baterii). NiektÛre z rejestratorûw pracy baterii realizujπ przybliøone wyliczanie skrûcenia øywotnoúci baterii, wynikajπce z eksploatacji w podwyøszonych temperaturach lub z g Íbokimi roz adowniami podczas pracy autonomicznej. Pozwala to na usprawnienie eksploatacji i podejmowanie odpowiednich czynnoúci konserwacyjnych. 56 Energetyczne filtry aktywne WúrÛd odbiornikûw zasilanych w sposûb gwarantowany wiele charakteryzuje sií nieliniowoúciπ, pobierajπc prπdy o przebiegu impulsowym. Stwarza to okreúlone wymagania dla zasilaczy UPS (Ñcrest factorî). Moøliwoúci powiíkszania odpornoúci zasilacza na impulsowy charakter prπdu obciπøenia sπ jednak ograniczone i w sytuacji, gdy pracuje on niestabilnie (np. czíste w πczanie sií obwodu obejúciowego, zwiíkszone straty cieplne) poprawí sytuacji moøe przynieúê zastosowanie filtrûw aktywnych. Na rysunku 18 jest przedstawiony sposûb w πczenia filtru aktywnego przy odbiorniku (grupie odbiornikûw) oraz przebiegi prπdûw w uk adzie. Gdy odbiornik nie pobiera prπdu (czas pomiídzy kolejnymi impulsami) falownik filtru pobiera prπd z sieci i magazynuje energií w kondensatorze. W chwili zapotrzebowania przez odbiornik na impuls prπdowy, energia jest czíúciowo dostarczana z kondensatora przez falownik tak, øe przebieg prπdu pobieranego z sieci ma charakter sinusoidalny. Rys.16. Zwarcie w jednym z obwodûw zasilanych przez UPS Rys. 17. System monitorowania uk adu zasilania gwarantowanego Rys. 18. SposÛb w πczenia filtru aktywnego oraz przebiegi prπdûw w uk adzie Energetyczne filtry aktywne kompensujπ oczywiúcie nie tylko impulsowy charakter zak ÛceÒ wprowadzanych przez odbiorniki nieliniowe, przyczyniajπc sií do poprawy jakoúci energii i zmniejszenia zagroøeò powodowanych harmonicznymi prπdu (i w nastípstwie napiícia). Podsumowanie Przerwy w zasilaniu z sieci energetycznej by y, sπ i bídπ. Ostatnie spektakularne awarie, obejmujπce duøe obszary i duøe aglomeracje kaøπ zastanowiê sií nad ewentualnymi skutkami przerw w zasilaniu, ktûre mogπ mieê rûwnieø charakter d ugotrwa y. Przy przerwach d ugotrwa ych urzπdzeniem wspomagajπcym jest oczywiúcie agregat prπdotwûrczy, ktûrego czas pracy nie jest tak ograniczony jak w przypadku baterii, jednak potrzebny jest pewien czas na uruchomienie urzπdzenia. Podstawowe dwa problemy, ktûre powinny byê rozwiπzane w systemie zasilania gwarantowanego to zgromadzenie odpowiedniej iloúci energii oraz odpowiednie przetworzenie jej dla potrzeb zasilanych odbiornikûw. Aktualnie g Ûwnymi zasobnikami energii sπ akumulatory ñ najwiíksza instalacja jest aktualnie oddawana do eksploatacji w San Juan (Puerto Rico), gdzie docelowo pojemnoúê baterii bídzie wynosiê 14 MWh. Perspektywy magazynowania energii o bardzo krûtkim czasie dostípu to ñ oprûcz akumulatorûw ñ superkondensatory, wirujπce ko a (Flywheels) oraz magnetyczne zasobniki nadprzewodnikowe (SMES). Dla agregatûw prπdotwûrczych konkurencjí bídπ natomiast mog y stanowiê ogniwa paliwowe, a w pewnych sytuacjach zbiorniki ze spríøonym powietrzem. Niezaleønie od przyjítej struktury systemu zasilania gwarantowanego, stosowane w nim urzπdzenia muszπ charakteryzowaê sií bardzo wysokπ niezawodnoúciπ ñ oszczídnoúci mogπ okazaê sií iluzoryczne podczas pierwszej awarii. dr inø. Andrzej Baranecki dr inø. Tadeusz P atek mgr inø. Marek Niewiadomski Medcom Sp. z o.o Warszawa ul. Barska 28/30 tel. (22) , fax (22) info@medcom.com.pl