Artykuł sponsorowany

Tryby pracy w zasilaczach UPS, cz. II

Obecnie produkowane zasilacze UPS mogą pracować w kilku różnych trybach pracy w zależności od potrzeb i wymagań obiektu. Każdy tryb pracy ma swoje wady i zalety, a w niniejszym artykule zostaną one przedstawione na podstawie wykonanych pomiarów i obliczeń.

Większość zasilaczy posiada gamę od 2 do 6 trybów pracy, które mogą być ustawiane przez serwis lub Użytkownika. Należy jednak pamiętać, że nie każde ustawienie trybu pracy jest właściwe dla danego charakteru obciążenia i powinno być ono wybierane z pełną świadomością zagrożeń i ewentualnych korzyści. Tryby pracy ustawiane z poziomu oprogramowania serwisowego, ale również w dużej części zasilaczy z panela obsługi są następujące:

  • Tryb „true on-line”, inaczej podwójna konwersja lub podwójne przetwarzanie,
  • Tryb ekonomiczny lub ECO,
  • Tryb mieszany lub SMART, lub inteligentny on-line,
  • Tryb ekonomiczny z korekcją THDi,
  • Tryb oświetlenia awaryjnego lub STAND-BY OFF,
  • Tryb przetwornicy częstotliwości.

Najbardziej popularne to dwa pierwsze tryby, które różnią się znacząco, a co za tym idzie mają swoje plusy i minusy. Tryb podwójnej konwersji charakteryzuje się pełnym uniezależnieniem parametrów napięcia wyjściowego UPS od parametrów sieci. Wartość skuteczna napięcia oraz częstotliwość na wyjściu UPS są niezależne od napięcia sieci, ponieważ napięcie generowane jest przez falownik (VFI – Voltage and Frequency Independent). Szczegółowe informacje na ten temat uzyskasz od naszych specjalistów >>

Odbiorniki szczególnie wrażliwe na zakłócenia sieci oraz krótkie zaniki napięcia powinny być zasilane z UPS ustawionym w takim trybie pracy. Najważniejszą zaletą tego trybu jest blokowanie zakłóceń ze strony sieci, w tym destrukcyjnych przepięć, które zatrzymują się na prostowniku UPS. Wadą tego trybu pracy może być „przedostawanie” się częstotliwości kluczowania falownika na odbiory szczególnie wrażliwe na wyższe harmoniczne napięcia zasilającego, np. odbiorniki do nasłuchu i nadawania sygnałów, specjalistyczne odbiorniki medyczne, sprzęt muzyczny, układy rozruchowe lamp wyposażone w elementy LC, itp. Zjawiska niekorzystne, które mogą wówczas występować to:

  • rezonans układu zasilania odbiornika
  • niepoprawna praca odbiornika w tym migotanie lamp, sprzężenia dźwięku, zniekształcony obraz, inne zakłócenia pracy odbiornika chronionego.
 Rys. 1a Zasilanie układu rozruchowego lamp bezpośrednio z sieci
Rys. 1a Zasilanie układu rozruchowego lamp bezpośrednio z sieci
 Rys. 1b Zasilanie układu rozruchowego lamp z falownika, faza początkowa rozruchu
Rys. 1b Zasilanie układu rozruchowego lamp z falownika, faza początkowa rozruchu

W przypadku zaistnienia takich problemów nie ma łatwych rozwiązań i dopiero dogłębna analiza przebiegów prądów i napięcia z UPS pozwala na wyciągnięcie wniosków i zastosowanie skutecznego antidotum. Przykładem może być przypadek jednostkowy rezonansu prądów w układzie rozruchowym lampy wyładowczej wyposażonej w układ LC w układzie zapłonowym lampy. Poniżej przedstawiono przebiegi prądu i napięcia na wyjściu fazy L1 UPS w czasie zasilania lamp wyładowczych:

  • bezpośrednio z sieci (poprzez bypass elektroniczny UPS),
  • z falownika, faza początkowa rozruchu,
  • z falownika, faza końcowa rozruchu.
 Rys. 1c Zasilanie układu rozruchowego lamp z falownika, faza końcowa rozruchu
Rys. 1c Zasilanie układu rozruchowego lamp z falownika, faza końcowa rozruchu

Powyższe oscylogramy pokazują problem po stronie falownika UPS z zachowaniem odpowiedniego kształtu sinusoidy. Generuje to dodatkowe odkształcenie prądu, wzrost wartości skutecznej prądu i zmianę częstotliwości prądu z 50 Hz na 150 Hz (prąd przechodzi przez oś X 6 razy w ciągu okresu/20 ms). Zjawiska te nakładają się, a w stanie ustalonym występuje niekorzystne zjawisko przeciążeń po stronie UPS oraz grzania się układu rozruchowego lamp i ich migotania.
Poniżej przedstawiono wartości THDi oraz THDu w fazie L1 dla przypadku zasilania:

  • bezpośrednio z sieci (poprzez bypass elektroniczny UPS),
 Rys. 2. Zawartość harmonicznych THDi (czerwony), THDu (czarny) w fazie L1 dla przypadku: a) zasilania z bezpośrednio z sieci, b) z falownika UPS
Rys. 2. Zawartość harmonicznych THDi (czerwony), THDu (czarny) w fazie L1 dla przypadku: a) zasilania
z bezpośrednio z sieci, b) z falownika UPS
  • z falownika.

Po analizie oscylogramów i rozpoznaniu zjawisk występujących w tym konkretnym przypadku rozwiązaniem tego problemu okazało się odpowiednie ustawienie parametrów korekcji napięcia falownika. Spowolnienie procesów regulacyjnych napięcia falownika spowodowało zoptymalizowanie kształtu sinusoidy oczywiście kosztem dynamicznej reakcji falownika na zaburzenie (skokowe załączenie obciążenia), ale w tym przypadku nie miało to żadnego wpływu na pracę odbiorów. Dowiedz się więcej o rozwiązaniach Riello Delta Power >>

W przypadku zasilania odbiorników mniej wrażliwych na zakłócenia sieci zasadnym wydaje się stosowanie trybu ekonomicznego (ECO), polegającego na pracy zasilacza w bypassie elektronicznym i wyczekiwaniu na zanik napięcia sieci, po którym następuje przełączenie na pracę z falownika. Korzyści są bardzo wymierne, ponieważ różnica w sprawności zasilacza w trybie podwójnej konwersji (od 90 do 96%) i w trybie ekonomicznym (przeciętnie 98-99%) to kilka do kilkunastu procent.

Należy pamiętać, że deklarowana sprawność podawana przez producenta, np. 95% w podwójnej konwersji jest na ogół niższa w rzeczywistości ze względu na nieliniowy charakter obciążenia i przesunięcie fazowe napięcia i prądu inne niż to, przy którym testowano zasilacz dla uzyskania parametrów znamionowych. A zatem jeszcze większa jest różnica w sprawności między tymi trybami, ponieważ w trybie ECO nieliniowość odbioru nie wpływa na sprawność tak jak ma to miejsce w trybie podwójnej konwersji.

Przekłada się to na wymierne korzyści w oszczędności energii elektrycznej (np. dla zasilacza 60 kVA obciążonego w 70% zysk z nieutraconej energii elektrycznej może przekroczyć nawet 12 000 zł w skali roku, wliczając w to dodatkowe koszty klimatyzacji, które Użytkownik musiałby ponieść, aby odprowadzić większe straty energii w postaci ciepła dla trybu podwójnej konwersji.

Poważnym mankamentem, z powodu którego Użytkownik na ogół nie decyduje się na tryb ekonomiczny, jest czas przełączania na falownik w przypadku zaniku napięcia sieci. Różni producenci różnie realizują sposób przełączania na pracę z falownika w trybie ekonomicznym, co przekłada się na różne czasy przełączania, a zatem może to znacząco wpływać na jakość pracy odbiorników chronionych. Poniżej na oscylogramie 1 przedstawiono dwa różne zasilacze pracujące w trybie ekonomicznym i przełączające się na tryb pracy z falownika po zaniku w sieci.

Na wyjściu falownika elementem łączącym napięcie z odbiorami może być tyrystor lub stycznik. W przypadku tyrystorów osiąga się szybkie czasy przełączania, ale tyrystory pogarszają sprawność w trybie podwójnej konwersji pracy stąd większość producentów stosuje styczniki jako element o relatywnie wysokiej sprawności w stosunku do tyrystorów, ale nie generujących dodatkowych start ciepła. W torze bypassu elektronicznego w zdecydowanej większości stosuje się tyrystory, choć w tańszych rozwiązaniach i mniejszych mocach stosuje się przekaźniki.

 Rys.3. Oscylogramy prezentujące przełączenie w trybie ekonomicznym na pracę z falownika po zaniku napięcia sieci
Rys.3. Oscylogramy prezentujące przełączenie w trybie ekonomicznym na
pracę z falownika po zaniku napięcia sieci
a z przerwą ok. 15 ms
b) z przerwą < 1ms (UPS Riello, seria MST, GreenForce)

Rysunek 3. przedstawia dwa różne zasilacze, które posiadają styczniki na wyjściu falowników. Szybkie przełączanie (oscylogram b) udało się uzyskać dzięki zamkniętemu stycznikowi w trybie pracy ekonomicznej. Zanik napięcia sieci powoduje jedynie start falownika, a brak zwłoki wynikającej z zamykania stycznika (co widać na oscylogramie a) skutkuje praktycznie niezauważalnym przełączeniem napięcia z sieci na falownik. Pomiary zostały wykonane na dwóch różnych zasilaczach o mocy 60 kVA obciążonych na poziomie ok. 60% odbiornikami liniowymi o charakterze rezystancyjnym. Czas przełączania może być dłuższy dla sytuacji zasilania odbiorników nieliniowych z przesunięciem fazowym prądu względem napięcia zasilającego.

Szybki tryb ekonomiczny może wiązać się z dopłatą u niektórych producentów. Jest to związane z zastosowaniem tyrystorów w miejsce stycznika na wyjściu falownika. W przypadku szybkiego trybu ekonomicznego możliwe jest korzystanie z tego trybu również w pracy równoległej zasilaczy. Zasadność stosowania trybu ECO jest czysto ekonomiczna. Jednak zdarzają się sytuacje, w których powodem stosowania trybu ECO są pogarszające jakość pracy odbiorów zakłócenia z falownika, na które Użytkownik godzi się w warunkach zaniku napięcia sieci, a więc bardzo rzadko.

Tryb mieszany, nazywany inaczej SMART lub inteligentny tryb ekonomiczny polega na pracy w trybie bypassu elektronicznego lub w podwójnej konwersji w zależności od jakości napięcia sieci. Przy częstych zakłóceniach i zanikach w sieci UPS decyduje się w trybie SMART na pracę w podwójnej konwersji. Kiedy sieć jest stabilna zasilacz bada „poziom ufności” sieci i po odpowiednim czasie, kiedy nie ma w niej zakłóceń poza tolerancją, przechodzi na zasilanie z bypassu elektronicznego (tryb ECO). Ustawienie tolerancji napięcia sieci wykonuje się najczęściej na poziomie oprogramowania serwisowego, co prezentuje rysunek 4.

 Rys. 4. Ustawienia tolerancji napięcia sieci oprogramowaniem serwisowym
Rys. 4. Ustawienia tolerancji napięcia sieci oprogramowaniem serwisowym

Tryb ekonomiczny z korekcją THDi jest trybem pracy, w którym energia zasilająca odbiory płynie przez bypass elektroniczny, a falownik pracuje równolegle z siecią jako filtr aktywny wyższych harmonicznych.

Falownik w tym trybie pełni również funkcję zasilacza dla ładowarek baterii akumulatorów, dzięki czemu prostownik może być całkowicie odstawiony. Zanik napięcia w sieci łączy się z przestawieniem trybu pracy falownika z filtra harmonicznych na generator napięcia sinusoidalnego. Sprawność układu jest na poziomie zbliżonym do trybu podwójnej konwersji (ok. 95%) i nie zależy tak bardzo od charakteru obciążenia jak to ma miejsce dla trybu podwójnego przetwarzania. Dodatkową zaletą tego rozwiązania jest zmniejszenie zakłóceń pochodzących od odbiorników nieliniowych (THDi) do wartości poniżej 10%. Wadą jest typowy problem występujący w trybie ekonomicznym, tj. możliwość przeniesienia zaburzeń napięcia sieci na odbiory chronione.

Tryb oświetlenia awaryjnego lub STANDBY – OFF polega na braku obecności napięcia na wyjściu zasilacza UPS w normalnym trybie pracy, kiedy obecna jest sieć. Po zaniku napięcia sieci pojawia się napięcie na wyjściu zasilacza, a po powrocie napięcia sieci jeszcze przez pewien ustawialny czas napięcie na wyjściu utrzymuje się, po czym zanika wyłączając zasilanie dla odbiorów, mających być w stanie spoczynku dla stanu zasilania obiektu z sieci energetycznej.

Ostatni tryb, tzn. przetwornica częstotliwości stosuje się w Polsce niezwykle rzadko. Kiedy Użytkownik posiada odbiory na częstotliwość 60 Hz (specjalistyczne urządzenia zbudowane tylko do pracy z siecią o częstotliwości 60 Hz) wówczas jest zmuszony do zakupu zasilacza UPS pracującego jako przetwornica częstotliwości 50/60 Hz. Wadą tego trybu w naszych warunkach energetycznych jest brak możliwości korzystania z bypassu elektronicznego i ręcznego. W tym przypadku zasilacz blokuje możliwość przełączenia na bypass elektroniczny, a bypass ręczny zasilacza ma zdemontowaną rączkę, aby przez przypadek nie zostało załączone napięcie o częstotliwości 50 Hz. Awaria lub przeciążenie falownika w tym trybie oznacza wyłączenie zasilania odbiorów chronionych.
wnioski:

  • Stosując odpowiedni tryb pracy zasilacza UPS Użytkownik powinien mieć pełną świadomość, na jakie zagrożenie się decyduje i jakie korzyści może osiągnąć.  Firma Riello Delta Power ze swoim wieloletnim doświadczeniem proponuje rozwiązania optymalne dla Użytkownika, mając na uwadze zarówno koszty eksploatacji, jak i jakość energii zasilającej UPS pod kątem wymagań odbiorów chronionych. Jeżeli Użytkownik decyduje się na pracę w trybie ekonomicznym powinno wykonać się kilka prób i pomiarów w celu określenia czasu przełączania. Pozwoli to na określenie poprawności działania systemu zasilania gwarantowanego i określi ryzyko ewentualnych zakłóceń mogących pojawić się podczas przełączania na pracę z falownika.
  • Tryb pracy true on-line, mimo gwarancji uniezależnienia parametrów napięcia wyjściowego UPS (z falownika) od napięcia sieci energetycznej, nie zapewnia w przypadkach szczególnych poprawnego działania odbiorów.
  • Tryb ekonomiczny, czyli zasilanie odbiorów bezpośrednio z sieci poprzez bypass elektroniczny nie chroni odbiorów chronionych przed zaburzeniami pochodzącymi z sieci (głównie przepięcia).
 Riello Delta Power Sp. z o.o. Riello Delta Power Sp. z o.o.
Krasnowolska 82R
02-849 Warszawa
Tel.: +48 22 3791700
e-mail:
www.riello-deltapower.pl

Komentarze

(1)
janek | 19.01.2018, 08:39
interesujacy artykuł
   1 / 1   
Dodaj komentarz
Nie jesteś zalogowany - zaloguj się lub załóż konto. Dzięki temu uzysksz możliwość obserwowania swoich komentarzy oraz dostęp do treści i możliwości dostępnych tylko dla zarejestrowanych użytkowników naszego portalu... dowiedz się więcej »
Zapisz się na bezpłatny newsletter!
Najnowsze informacje na Twoją skrzynkę:
4/2018

AKTUALNY NUMER:

elektro.info 4/2018
W miesięczniku m.in.:
  • - Zasady i kryteria doboru wyłączników różnicowoprądowych do selektywnej współpracy
  • - Projekt instalacji piorunochronnej budynku hali produkcyjnej
Zobacz szczegóły

ENERGO RODEO

Belos-PLP i ZIAD zapraszają do udziału w I ogólnopolskiej Konferencji Energetyków „Energo Rodeo”. Konferencja przeznaczona jest dla największych firm energetycznych w Polsce. Podczas...

Noże szwedzkie firmy Montero

Montero zaprezentował nowość w ofercie – trzy modele szwedzkich noży, których ostrza wyprodukowano z wysokiej jakości stali nierdzewnej. Pierwszy to nóż przeznaczony dla elektryków –...
MICROS sp.j. W. Kędra i J. Lic MICROS sp.j. W. Kędra i J. Lic
Firma Micros istnieje na polskim rynku elektronicznym nieprzerwanie od 1988 roku. Jej początki to mały sklep z asortymentem elektronicznym,...
Dom Wydawniczy MEDIUM Rzetelna Firma
Copyright @ 2004-2012 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowa, nr KRS: 0000537655. Wszelkie prawa, w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
realizacja i CMS: omnia.pl