Jakość energii elektrycznej w układach z zasilaczami UPS z uwzględnieniem kształtowania przebiegów wyjściowych – zagadnienia wybrane

Najczęściej UPS (z ang. Uninterruptible Power Supply) eliminuje zakłócenia pochodzące z sieci elektroenergetycznej, utrzymuje stałą wartość skuteczną napięcia i w razie potrzeby izoluje dołączone do niego urządzenia od sieci elektroenergetycznej [1, 2]. Ponadto układy UPS, w zależności od ich konstrukcji, spełniają zazwyczaj wiele dodatkowych funkcji związanych z poprawą jakości zasilania, jak np. ograniczanie wahań wartości skutecznej napięcia, ograniczenie przepięć, ograniczanie zniekształceń harmonicznych napięcia, filtracja zaburzeń przewodzonych. Układy UPS obecnie są produkowane jako jednofazowe o mocach znamionowych do kilkudziesięciu kVA oraz w wykonaniach trójfazowych o mocach od 3 kVA do kilku tysięcy kVA. Układy UPS powszechnie kojarzone są jako urządzenia zabezpieczające zasilanie urządzeń IT, jednak obecnie obszar ich zastosowań znacznie się rozszerza i obejmuje różne aplikacje w rozbudowanych systemach informatycznych i przemysłowych, w których ciągłość funkcjonowania jest podstawowym wymaganiem przede wszystkim ze względów ekonomicznych oraz bezpieczeństwa. Zgodnie z definicją określoną przez normę PN-EN 62040-3, zasilacz UPS jest zestawem przekształtników, łączników i urządzeń magazynujących energię (np. akumulatorów), które tworzą źródło energii zapewniające ciągłość zasilania obciążenia w przypadku uszkodzenia zasilania na wejściu [3].

Ze względu na ograniczone możliwości gromadzenia energii w bateriach akumulatorów, układy UPS często współpracują z innymi źródłami energii, np. zespołami prądotwórczymi, tworząc bardziej rozbudowane tzw. systemy gwarantowanego zasilania, w których rolą zasilacza UPS jest zapewnienie ciągłości zasilania na czas niezbędny do załączenia innych źródeł zasilania lub usunięcia przyczyny awarii. Takie systemy zasilania gwarantowanego złożone są zazwyczaj z kilku rezerwowych źródeł energii odpowiednio współpracujących w ramach zaprojektowanej instalacji o ściśle ustalonym algorytmie działania w przypadku wystąpienia awarii zasilania podstawowego [2, 3].

Jakość zasilania urządzeń

Podstawowe parametry jakości napięcia zasilającego w sieciach publicznych określa norma PN-EN 50160 Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach elektroenergetycznych, która definiuje zakresy wymagań obowiązujące dostawców energii elektrycznej. Przykładowo, zgodnie z wymaganiami tej normy, dopuszczalne zmiany napięcia zasilającego w sieci elektroenergetycznej mierzone jako średnia wartość skuteczna napięcia uśredniana w czasie 10-minutowych przedziałów czasowych w normalnych warunkach pracy powinna zawierać się w przedziale ±10% napięcia znamionowego przez 95% tygodnia. Z punktu widzenia zasilania ważnych urządzeń, jak np. systemy komputerowe, informatyczne, układy sterowania i automatyki, warunki zasilania zapewniane w ramach publicznej sieci zasilającej są niewystarczające. Dlatego powszechnie stosowaną zasadą staje się stosowanie dodatkowych układów poprawiających jakość zasilania w aplikacjach, dla których pewność zasilania sieciowego jest niewystarczająca ze względu na realizowane funkcje [3].

Wymagane poziomy odporności urządzeń na zmiany zasilania określone są w normie PN-EN 61000-4-11 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC). Część 4-11: Metody badań i pomiarów. Badania odporności na zapady napięcia, krótkie przerwy i zmiany napięcia dla urządzeń o znamionowym prądzie fazowym nieprzekraczającym 16 A, która wprowadza dwa podstawowe wymagania odporności urządzeń na zapady napięcia, krótkie przerwy i wahania napięcia. Urządzenia spełniające wymagania tej normy powinny bez żadnych negatywnych skutków dla ich funkcjonowania tolerować [3]:

• całkowity zanik napięcia zasilającego (0% wartości napięcia znamionowego) przez czas jednego okresu napięcia sieciowego (20 ms) oraz
• zapad napięcia zasilania do 70% wartości napięcia znamionowego o czasie trwania do 25 okresów napięcia sieciowego (0,5 s).

Spełnienie tych wymagań przez urządzenie zasilane nie gwarantuje jednak poprawnej pracy we wszystkich warunkach zasilania, które mogą występować w sieci zasilającej, dlatego w odniesieniu do urządzeń informatycznych najczęściej stosuje się wymagania opracowane przez stowarzyszenie producentów sprzętu informatycznego ITIC (Information Technology Industry Council). Charakterystyki odporności urządzeń informatycznych na zmiany napięcia zasilania opracowane przez ITIC (rys. 1.) określają dopuszczalne zakresy napięć zasilających oraz maksymalne czasy ich występowania bez negatywnego wpływu na poprawność funkcjonowania zasilanych urządzeń.

Większość obecnie stosowanych układów zasilających urządzenia informatyczne jest zasilaczami prądu stałego zasilanymi z sieci napięcia przemiennego. W zasilaczach tych napięcie przemienne na samym początku procesu przetwarzania jest prostowane i zamieniane na napięcie stałe, które jest filtrowane najczęściej poprzez filtry pojemnościowe, aby zmniejszyć tętnienia napięcia stałego po wyprostowaniu. Taka konstrukcja w większości układów zasilających pozwala w naturalny sposób na znaczne zwiększenie odporności zasilanych układów na chwilowe, tzn. trwające nie więcej niż połowę okresu napięcia zasilającego obniżenia napięcia zasilania. Przy odpowiednim doborze pojemności układu zasilającego można uzyskać efekt podtrzymania napięcia zasilającego w czasie nawet kilku okresów napięcia zasilającego, co znacznie zmniejsza wymagania dla UPS pod względem czasu przełączenia z normalnego trybu pracy do pracy z akumulatorów [3].

Podstawowe funkcje

Podstawową funkcją układów UPS w systemach zasilania jest zapewnienie ciągłości zasilania urządzeń w sytuacji wystąpienia nieakceptowanych poziomów napięcia sieciowego poprzez załączenie w odpowiednio krótkim czasie zasilania rezerwowego pochodzącego najczęściej z przetwornicy napięcia zasilanej z baterii akumulatorów. Dla tak określonego układu zasilania możemy wyróżnić trzy podstawowe rodzaje pracy: praca normalna, praca z wykorzystaniem energii zmagazynowanej, praca z włączonym obwodem obejściowym (bypass) [1, 2, 3].

Praca normalna to stabilna praca UPS zasilającego obciążenie w warunkach, gdy dostępna jest w deklarowanym zakresie tolerancji energia pierwotna, bateria akumulatorów jest ładowana lub rozładowywana we właściwym czasie, obciążenie jest utrzymywane w wymaganych granicach, a napięcie wyjściowe zawiera się w wymaganym zakresie tolerancji. Przekazywanie energii pobieranej z sieci zasilającej do obwodów obciążenia najczęściej następuje przy jedynie nieznacznie zmodyfikowanym napięciu poprzez działanie układów filtracji przepięć oraz regulacji wartości skutecznej [3].

Praca z wykorzystaniem energii zmagazynowanej to praca UPS w stanie, gdy nastąpił zanik napięcia w sieci zasilającej lub parametry napięcia zasilające przekroczyły założone tolerancje i do utrzymania napięcia wyjściowego w określonych granicach jest zużywana energia zmagazynowana. W tym trybie pracy UPS energia zgromadzona w baterii akumulatorów jest przetwarzana na napięcie przemienne, którego wartość i kształt są całkowicie niezależne od sieci zasilającej. Praca z obwodem obejściowym – stan, w którym UPS pracuje, zasilając obciążenie tylko poprzez załączony obwód obejściowy [1, 2, 3].

Dodatkowymi, również istotnymi z punktu widzenia jakości zasilania urządzeń, stanami pracy UPS, są dynamiczne stany przejściowe występujące podczas zmian trybów, w szczególności przy przejściu z pracy normalnej do pracy z wykorzystaniem energii zmagazynowanej. Realizacja układów zasilania gwarantowanego UPS wymaga stosowania różnych podzespołów realizujących poszczególne funkcje oraz ściśle współpracujących pomiędzy sobą. Do najważniejszych modułów funkcjonalnych typowych układów UPS zaliczyć możemy [3]:

• układ monitorowania napięcia sieci zasilającej oraz oceny poprawności warunków zasilania odbiorów,
• układ ładowania i kondycjonowania w stanie gotowości baterii akumulatorów działający w czasie występowania poprawnych warunków zasilania sieciowego,
• układ przetwornicy napięcia DC/AC zapewniającej dostarczenie odpowiedniego napięcia wyjściowego w czasie pracy ze źródła energii zmagazynowanej,
• układ sprzęgający pomiędzy siecią zasilającą oraz przetwornicą napięcia zasilaną z akumulatora a obwodami obciążenia, umożliwiający przełączanie źródła energii w odpowiednio krótkim czasie.

Najbardziej istotnymi cechami układów UPS decydującymi w znacznym stopniu o ich przydatności do zapewniania odpowiedniej jakości zasilania chronionych urządzeń, jest sposób realizacji procesu przejścia od pracy normalnej do akumulatorowej, który decyduje o czasie trwania procesu przełączania oraz poziomie jakości napięcia wyjściowego podczas pracy akumulatorowej, a w szczególności jego kształcie [3].

Norma PN-EN 62040-3 Systemy bezprzerwowego zasilania (UPS). Część 3: Metody określania właściwości i wymagania dotyczące badań określa literowo-cyfrowy system oznaczania układów bezprzerwowego zasilania. Przyjęty kod oznaczenia składa się z trzech części oddzielonych myślnikiem: 3 litery, 2 litery oraz 3 cyfry (L1, L2, L3 – L4, L5 – C1, C2, C3 przykładowo VFI–SS–123). Pierwsze trzy litery L1, L2, L3 określają jakość napięcia wyjściowego podczas pracy normalnej. Stosowane są trzy oznaczenia, które charakteryzują właściwości napięcia wyjściowego w odniesieniu do napięcia zasilania, co jest istotnie związane z zastosowaną topologią UPS [1, 3]:

• VFI (z ang. Voltage Frequency Independent) – napięcie wyjściowe UPS jest niezależne od zmian wartości napięcia zasilającego i częstotliwości,
• VFD (z ang. Voltage Frequency Dependent) – wyjście UPS jest zależne od zmian wartości napięcia zasilającego i częstotliwości,
• VI (z ang. Voltage Independent) – wyjście UPS jest zależne od zmian częstotliwości napięcia zasilającego, lecz zmiany wartości napięcia zasilającego są kondycjonowane przez energoelektronicznie bierne urządzenie regulujące napięcie w granicach przyjętych w pracy normalnej (np. przełącznik zakresów uzwojenia transformatora sprzęgającego). Kolejne dwie litery L4 i L5 określają kształt przebiegu napięcia wyjściowego w różnych warunkach pracy UPS: pierwsza L4 w warunkach pracy normalnej wraz z włączonym obwodem obejściowym, druga L5 w warunkach pracy ze źródła energii zmagazynowanej. Stosowane są następujące oznaczenia [1, 3]:
• S – wytwarzane napięcie jest sinusoidalne, całkowity poziom zniekształceń harmonicznych mniejszy niż 8% oraz rozkład widmowy harmonicznych zgodnych z normą PN-EN 61000-2-2 w warunkach obciążenia liniowego i wzorcowego nieliniowego,
• X – wytwarzane napięcie jest sinusoidalne, tak jak w przypadku oznaczenia S, ale tylko w warunkach obciążenia liniowego, przy obciążeniu wzorcowym nieliniowym całkowity współczynnik zniekształceń harmonicznych przekracza 8%, jeżeli obciążenie nieliniowe wzorcowe przekroczy wartości graniczne podane przez producenta,
• Y – wytwarzane napięcie nie jest sinusoidalne i przekracza wartości graniczne zawarte w wymaganiach normy PN-EN 61000-2-2, parametry kształtu napięcia wyjściowego deklaruje producent.

Ostatnie trzy cyfry C1, C2 i C3 określają największe dopuszczalne wartości graniczne zmian napięcia wyjściowego w warunkach dynamicznych UPS [1, 3]:

• C1 – w czasie zmian trybów pracy (normalny/ze źródła energii zmagazynowanej/obejściowy),
• C2 – przy skokowych zmianach obciążenia liniowego,
• C3 – przy skokowych zmianach obciążenia nieliniowego.

Wymagane wartości graniczne zmian napięcia wyjściowego w warunkach dynamicznych są zależne od klasy wymagań. Wyróżnia się trzy klasy właściwości dynamicznych napięcia wyjściowego oznaczone jako 1, 2 i 3, oznaczenie 4 oznacza specyfikację określaną wyłącznie przez producenta. Dla poszczególnych klas najważniejsze różnice, dotyczące dopuszczalnych przerw zasilania występujących podczas zmian trybów pracy, są następujące [3]:

• klasa 1 – przełączenie następuje bezprzerwowo lub przy napięciu zerowym,
• klasa 2 – zerowe napięcie na wyjściu może utrzymywać się nie dłużej niż 1 ms,
• klasa 3 – zerowe napięcie na wyjściu może utrzymywać się nie dłużej niż 10 ms,
• liczba 4 – oznacza inne właściwości określane jedynie przez producentów.

Jednym z ważniejszych parametrów napięcia wyjściowego wpływających w istotnym stopniu na warunki pracy zasilanych odbiorników jest jego kształt. Najbardziej pożądanym kształtem napięcia wyjściowego jest kształt sinusoidalny, który jest w pełni tolerowany przez wszystkie odbiorniki. Jest to jednak najwyższy poziom jakości, którego uzyskanie wymaga stosowania najbardziej złożonych przekształtników DC/AC, najczęściej opartych na tranzystorach IGBT. Znaczna ilość odbiorników zasilanych z zasilaczy UPS, a w szczególności większość zasilaczy impulsowych stosowanych w urządzeniach informatycznych, nie wymaga aż tak wysokiej jakości napięcia i toleruje aproksymacje sinusoidy. W zasilaczach impulsowych najczęściej wejściowe napięcie przemienne najpierw jest prostowane, a dopiero po wyprostowaniu odpowiednio przetwarzane, w związku z tym kształt przebiegu napięcia zasilania nie jest aż tak istotny, chociaż mogą zdarzać się wyjątkowe przypadki [3]. Do nich należy zaliczyć komputery i serwery, które najczęściej źle tolerują zasilanie napięciem prostokątnym.

Kształt napięcia

Urządzenia zabezpieczane przez zasilacze awaryjne zazwyczaj (z wyjątkiem np. aparatury telekomunikacyjnej wymagającej napięcia stałego) przystosowane są do pracy z zasilaniem napięciem przemiennym 230 V o częstotliwości 50 Hz i dlatego najlepszym rozwiązaniem byłaby sytuacja, gdyby produkowane UPS-y dawały na wyjściu przebieg sinusoidalny. Jednakże realizacja tego nie jest sprawą prostą – zwłaszcza ze względu na koszty. Dlatego w praktyce spotyka się następujące kształty napięć wyjściowych wytwarzanych przez zasilacze bezprzerwowe: prostokątne, quasi-sinusoidalne (dające aproksymowaną sinusoidę) oraz sinusoidalne.

Najprostszym (i najtańszym) rozwiązaniem są układy wytwarzające falę prostokątną o potrzebnym napięciu skutecznym (230 V) i częstotliwości 50 Hz. Tego typu przebieg nie nadaje się do zasilania urządzeń, w których zasilacz zawiera prostowniki z filtrami pojemnościowymi (detektorami szczytowymi), bo amplituda przebiegu jest równa jego wartości skutecznej, a powinna wynosić 1,41 (pierwiastek z dwóch) razy więcej – co uniemożliwia poprawną pracę zasilanych układów. Układy takie (z przebiegiem prostokątnym) również nie nadają się do zasilania układów wyposażonych w wejściowe filtry pojemnościowe poprawiające ich wejściowe cos φ.

Kolejnym rozwiązaniem są układy dające nadal falę prostokątną, ale o współczynniku amplitudy (tzn. stosunku amplitudy do wartości skutecznej), takim jak dla przebiegu sinusoidalnego – przebiegi te nazywane są quasi-sinusoidalnymi lub aproksymowanymi krokowo (schodkowa aproksymacja sinusoidy). Taki kształt napięcia zapewnia poprawną pracę większości układów, ale charakteryzuje się znaczną zawartością wyższych harmonicznych. Najlepszym rozwiązaniem są układy wytwarzające na wyjściu przebieg sinusoidalny.

Kształtowanie na wyjściu przebiegu sinusoidalnego może być realizowane na dwa sposoby:

1. „brutalny” – poprzez wytworzenie fali prostokątnej o odpowiedniej amplitudzie, a następnie wytracenie zbędnej energii, tak by otrzymać przebieg sinusoidalny – tak jest to realizowane w transformatorze ferrorezonansowym – stąd znaczne ilości ciepła wydzielanego przez zasilacze o strukturze „standby-ferro”,
2. „czysta” sinusoida – wytworzenie przebiegu sinusoidalnego poprzez modulację szerokości impulsów (PWM – Pulse Width Modulation) fali prostokątnej o częstotliwości wyższej od podstawowej 50 Hz (najczęściej kilka kHz) w taki sposób, że chwilowa wartość średnia takiego przebiegu tworzy sinusoidę o właściwej amplitudzie i częstotliwości. Wyjściową (czystą) sinusoidę uzyskuje się po usunięciu wyższych harmonicznych w pasywnym filtrze LC.

Regulacja przy zmianach napięcia wejściowego (baterii) i przy zmianach obciążenia jest realizowana przez falownik PWM poprzez dodatkową modyfikację szerokości impulsów wyjściowych. Przykładowy przebieg (wraz z jego widmem) zarejestrowany na wyjściu UPS-a tak realizującego sinusoidalny kształt napięcia wyjściowego przedstawiony został na rysunku 2.

Układ „standby-ferro”

Topologia typu „standby-ferro” z sprzężeniem magnetycznym (rys. 3.) stosowana w układach o mocach znamionowych do kilkunastu kVA. Jej istotnym elementem konstrukcyjnym jest transformator trójuzwojeniowy przystosowany do pracy w stanie nasycania, co pozwala na ograniczoną regulację wartości napięcia oraz kształtowanie krzywej napięcia wyjściowego. Zaletą tej konfiguracji, oprócz separacji galwanicznej, jest również możliwość bardzo skutecznej filtracji przepięć oraz zaburzeń impulsowych występujących w sieci zasilającej. 

Niestety, zastosowana metoda regulacji wprowadza znaczące zniekształcenia harmoniczne napięcia. Ponadto, zastosowanie transformatora powoduje zwiększenie masy oraz kosztu, a także obniża znacząco sprawność. Układy „standby-ferro” bywają klasyfikowane jako „on-line”, jednak przetwornica DC/AC uruchamiana jest dopiero w przypadku wystąpienia zakłócenia zasilania po rozłączeniu łącznika obejściowego, czyli jak w klasie „off line”, co wymaga określonego czasu na zmianę trybu pracy zasilacza UPS. Obecnie układy „standby-ferro” są coraz rzadziej stosowane, ponieważ źle współpracują z nowoczesnymi zasilaczami prądu stałego zawierającymi układy poprawy współczynnika mocy cos  (PFC). Wzajemne oddziaływanie układów PFC z ujemną (w niektórych sytuacjach) impedancją układów ferro regulacyjnych może powodować, przy określonych obciążeniach, znaczne oscylacje napięcia wyjściowego zagrażające zasilanym urządzeniom.

Literatura

1. J. Wiatr, M. Miegoń, zasilanie budynków użyteczności publicznej oraz budynków mieszkalnych w energię elektryczną – zasilacze UPS i baterie akumulatorów oraz sposoby ich doboru, układy pomiarowe zużytej energii, DWM, Warszawa 2017.
2. T. Sutkowski, Rezerwowe i bezprzerwowe zasilanie w energię elektryczną, COSiW SEP, Warszawa 2007.
3. K. Iwan, P. Musznicki, J. Guziński, J. Łuszcz, Laboratorium Podstaw Energoelektroniki, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2011.
4.  A. Kretek, Zasilacze bezprzerwowe (UPS-y) – przeznaczenie, budowa, podstawowe parametry, Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Seria: Elektronika z. 3, 1994, s. 59–75.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!