Zasilacze napięcia gwarantowanego: harmoniczne prądu i separacja galwaniczna
Uninterruptible power supplies – selected issues: current harmonics and galvanic isolation
![Zasilacz napięcia gwarantowanego UPS z przekształtnikiem AC/DC w torze głównym – prostownik 6-pulsowy lub rzadziej prostownik aktywny (falownik w trybie pracy prostownikowej) [1]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/202211/zasilacz-napiecia-gwarantowanego-ups-z-przeksztaltnikiem-acdc-1.jpg)
Zasilacz napięcia gwarantowanego UPS z przekształtnikiem AC/DC w torze głównym – prostownik 6-pulsowy lub rzadziej prostownik aktywny (falownik w trybie pracy prostownikowej) [1]
Rozpowszechnione stosowanie półprzewodnikowych przekształtników dostarczających energię elektryczną do maszyn roboczych wymusza nowe podejście do rozwiązań przemysłowych systemów zasilania. Sieci przemysłowe to obecnie sieci AC i DC. Sieci DC to głównie mikrosieci poprawiające jakość energii w podstawowej sieci napięcia przemiennego (zwykle trójfazowego) oraz podtrzymujące zasilanie w stanach awaryjnych, gdyż są one zwykle podłączone do elektrochemicznych zasobników energii lub źródeł czystej energii (OZE). Silnie odkształcone napięcie przemienne, przypadkowe przerwy w dostawach energii, znacząca zawartość harmonicznych o częstotliwościach radiowych i inne zaburzenia wymuszają stosowanie dodatkowych urządzeń przetwarzających energię przemysłowej sieci zasilania na jej inną formę o kwalifikowanych parametrach elektrycznych. W tym celu często stosowane są specjalistyczne przekształtniki elektroenergetyczne, potocznie nazywane zasilaczami UPS.
|
W artykule:
|
StreszczenieGwarancja jakości napięcia zasilania jest realizowana przez zastosowanie przekształtników energoelektronicznych nazywanych zwykle UPS. W artykule omówiono podstawowe właściwości UPS. Wykazano, że ich topologie mogą się mocno różnić zależnie od funkcji spełnianej w systemie zasilania. Przy zastosowaniu modelowania komputerowego przybliżono czytelnikowi główne cechy podzespołów i wyjaśniono działanie wbudowanych do UPS przekształtników typu: AC/DC, DC/DC i DC/AC. Przedstawiono model przekształtnika do ładowania zasobnika energii prądu stałego z separacją galwaniczną sieci napięcia stałego. |
AbstractThe article discusses their basic UPS properties. It has been shown that their topologies can differ significantly, depending on the function performed in the power supply system. Using computer modeling, the reader was introduced to the main features of the components and the operation of AC/DC, DC/DC and DC/AC converters built into the UPS was explained. The paper presents a model of a converter for charging a DC energy storage with galvanic separation of a DC grid. |
Na rysunku 1. przedstawiono schemat blokowy zasilacza napięcia gwarantowanego [1], który w sposób ciągły przekształca napięcie stałe mikrosieci DC na napięcie przemienne AC o kwalifikowanych parametrach, np. o THDu napięcia zasilania odbiornika liniowego mniejszym od 2%. Zasilacz UPS, przetwarzający napięcie stałe mikrosieci DC, jest zwykle dodatkowo wyposażony w równoległy tor obejściowy, dołączony bezpośrednio do przemysłowej sieci napięcia przemiennego (sieć jedno- lub trójfazowa), tzw. by-pass, dla zwiększenia pewności zasilania odbioru w przypadku awarii falownika. Jest to przykład zasilacza UPS bez separacji galwanicznej obwodów mocy od strony wejściowej i wyjściowej. Więcej o rodzajach zasilaczy UPS i ich topologiach można znaleźć w notach technicznych tych urządzeń, np. w [1].
Rys. 1. Zasilacz UPS typu online z obwodem głównym zasilanym z mikrosieci DC i z obwodem pomocniczym (obejściowym) by-pass zasilanym z sieci AC [1]
W napięciu sieci zasilania AC występują zaburzenia nisko- i wysokoczęstotliwościowe, m.in.:
- zaburzenia niskoczęstotliwościowe generowane przez harmoniczne prądu od prostowników diodowych zasilaczy dużych mocy,
- zaburzenia wysokoczęstotliwościowe powstające na skutek występowania prądu upływu pojemnościowego typu DM (ang. differential-mode – zaburzenia międzyfazowe),
- zaburzenia wysokoczęstotliwościowe powstające na skutek występowania prądu upływu pojemnościowego typu CM (ang. common-mode – zaburzenia doziemne).
Wysokoczęstotliwościowe zaburzenia doziemne CM znacząco oddziaływają na napięcia fazowe w sieci zasilania o układzie sieciowym TN, powodując nieprawidłową pracę wielu różnych urządzeń przemysłowych, np. sterowników PLC czy elektromagnetycznych przepływomierzy.
Zaburzenia wysokoczęstotliwościowe (DM i CM) nie będą przedmiotem poszerzonej analizy w tym artykule, gdyż są one inherentną cechą falowników MSI, a do ich ograniczenia zobowiązany jest głównie producent zasilacza UPS, np. za pomocą specjalistycznych filtrów EMC [2, 3].
W artykule jest przeprowadzona analiza wpływu wejściowych diodowych prostowników 6- i 12-pulsowych jako najczęściej stosowanych przekształtników AC/DC do zasilania mikrosieci DC zasilacza UPS. Analiza oddziaływania prostowników diodowych może umożliwić właściwą ocenę poziomu odkształceń napięcia w sieci przemysłowej harmonicznymi prądu niskich rzędów wytwarzanych tymi prostownikami.
Harmoniczne prądu zasilaczy z prostownikami diodowymi jako ważna przyczyna odkształcenia sinusoidalnego napięcia sieci przemysłowej
Trójfazowe 6-pulsowe prostowniki diodowe
Problem oddziaływania harmonicznych prądu niskich rzędów jest już szeroko omawiany w wielu publikacjach [4, 5] i jest w praktyce znany. W artykule zostanie zwrócona uwaga na kilka ważnych problemów, często pomijanych. Rysunek 2. prezentuje schemat blokowy zasilacza napięcia gwarantowanego UPS, w którym energia elektryczna może być dostarczana do obciążenia na trzy sposoby:
- z sieci zasilania, po jej przetworzeniu w zasilaczu napięcia gwarantowanego UPS (tor prostownik–falownik),
- z mikrosieci napięcia DC przy przerwie w sieci napięcia przemiennego,
- z sieci przemysłowej napięcia AC.
Rys. 2. Zasilacz napięcia gwarantowanego UPS z przekształtnikiem AC/DC w torze głównym – prostownik 6-pulsowy lub rzadziej prostownik aktywny (falownik w trybie pracy prostownikowej) [1]
Zastosowany sterowany półprzewodnikowy klucz dwukierunkowy, jedno- lub trójfazowy, umożliwia kontrolowane przyłączenie zasilacza UPS do zasilanego odbiornika energii elektrycznej – podstawowy tryb pracy lub napięcia sieci przemysłowej – awaryjny lub remontowy tryb pracy zasilacza UPS. Zwykle wyborem trybu pracy zasilacza UPS steruje kontroler DSP w oparciu o pomiary parametrów napięcia sieci prądu przemiennego i podzespołów torów mocy zasilacza UPS.
Każdorazowo przemiana prądu stałego na przemienny będzie generowała harmoniczne. Dla przykładu zajmijmy się sześciopulsowym przekształtnikiem AC/DC. Kształt prądu fazowego diodowego trójfazowego prostownika 6-pulsowego i wartości skuteczne harmonicznych prądu fazowego, przy obciążeniu nominalnym bliskim 40 A, przedstawia rysunek 3.
Rys. 3. Przebieg prądu fazowego nominalnie obciążonego prostownika 6-diodowego (linia zielona ciągła) oraz napięcie fazowe transformatora (linia czerwona) o wielokrotnie większej mocy pozornej od mocy pozornej zasilacza UPS z prostownikiem 6-diodowym (6-pulsowym) oraz wartości harmonicznych prądu fazowego obciążonego nominalnie prostownika zasilacza, rys. M. Żurek-Mortka, J. Szymański
Stała harmonicznych Hc = 310% wskazuje, że prostownik 6-diodowy jest doposażony w 4% dławiki DC lub impedancję indukcyjną o podobnej wartości i przedstawia układ zasilania prostownika (porównywana jest moc wejściowa pozorna zasilacza UPS i transformatora w przemysłowej sieci napięcia przemiennego) [4]. Przy mocy pozornej transformatora sieci przemysłowej kilkukrotnie większej od sumarycznej mocy pozornej przekształtników AC/DC dołączonych do tego transformatora, odkształcenia napięcia mogą być relatywnie niewielkie, np. THDu będzie mniejsze od 4%. Producenci zasilaczy UPS dążą do tego, aby ograniczyć THDi prostowników do poziomu ok. 40%. Niemniej normy nie narzucają producentom dopuszczanego poziomu zawartości harmonicznych w prądzie fazowym po stronie zasilania prostownika. Użytkownik zasilacza z prostownikiem diodowym musi przestrzegać dopuszczalnych poziomów odkształceń napięcia sieci: norma EN 61000-2-2 – sieci publiczne, norma EN 61000-2-4 – sieci przemysłowe [6].
Trójfazowe 12-pulsowe prostowniki diodowe
Dla zmniejszenia zawartości harmonicznych w przemysłowej sieci zasilania zasilacze napięcia gwarantowanego UPS większych mocy można doposażyć w 12-pulsowe prostowniki diodowe [5, 7]. Jest to rozwiązanie droższe, gdyż zawiera dwa zespoły prostowników 6-pulsowych współpracujących z dedykowanym transformatorem typu Yyd (rys. 4.).
Rys. 4. Zasilacz UPS z diodowym prostownikiem 12-pulsowym i specjalnym transformatorem Yyd (separacja galwaniczna) do wytwarzania napięcia stałego DC dla falownika napięciowego w normalnym trybie pracy zasilacza [1]
Uzwojenia wtórne transformatora połączone w gwiazdę (y) oraz trójkąt (Δ, oznaczane jako d) zapewniają przesunięcie fazowe napięć przemiennych o 30°, przez co napięcie wyprostowane jest 12-pulsowe. Odfiltrowanie harmonicznych o częstotliwości 600 Hz i 1200 Hz napięcia wyprostowanego za pomocą szeregowych filtrów rezonansowych umożliwia uzyskanie napięcia stałego DC praktycznie bez zawartości składowej przemiennej w tym napięciu. Rysunek 4. prezentuje zastosowanie 12-pulsowego prostownika w torze głównym zasilacza UPS. Ważną cechą takiego rozwiązania jest znacząca redukcja harmonicznych prądu w sieci przemysłowej zasilającej uzwojenie pierwotne Y transformatora Yyd do poziomu THDi bliskiego 10%. Na rysunku 5. przedstawiono przebieg prądu fazowego prostowania 12-pulsowego zasilanego transformatorem Yyd. Uzwojenia wtórne y i d transformatora są dołączone do diodowych prostowników 6-pulsowych doposażonych w dławiki AC lub/i dławiki DC dla zapewnienia THDi prądów fazowych w tych uzwojeniach na poziomie 40%.
Rys. 5. Przebieg prądu fazowego nominalnie obciążonego prostownika 12-diodowego (linia zielona ciągła) oraz napięcie fazowe transformatora (linia czerwona) o wielokrotnie większej mocy pozornej od mocy pozornej zasilacza UPS oraz wartości harmonicznych prądu fazowego obciążonego nominalnie prostownika, rys. M. Żurek-Mortka, J. Szymański
Wybrane metody redukcji harmonicznych w sieci przemysłowej napięcia AC
W praktyce inżynierskiej stosowane są różne metody minimalizowania zawartości harmonicznych w prądach fazowych pomiędzy transformatorem i prostownikiem. Rysunek 6. przedstawia zestawienie wybranych metod minimalizowania harmonicznych prądu przekształtników AC/DC.
Rys. 6. Wybrane metody filtracji harmonicznych prądu w przemysłowej sieci napięcia przemiennego z podziałem na metody pasywne i aktywne, rys. M. Żurek-Mortka, J. Szymański
Metody redukcji harmonicznych prądu dzieli się zasadniczo na dwie podstawowe grupy: metody pasywne i aktywne. Metody pasywne sprowadzają się do odpowiedniego doboru elementów biernych indukcyjnych, takich jak dławiki AC lub dławiki DC, transformatorów o uzwojeniach Yd lub Yyd z prostownikami diodowymi 6- lub 12-pulsowymi, rezonansowych filtrów szeregowych LC – dostrojonych do odpowiednich częstotliwości harmonicznych prądu (zwykle 5., 7. i 11.). Metody aktywnej minimalizacji harmonicznych prądu są bardzo skuteczne, lecz kosztowniejsze. Zwykle są to prostowniki aktywne lub filtry aktywne. W obydwu przypadkach wykorzystywany jest falownik trójfazowy, który kształtuje prąd płynący przez transformator do sieci, tak aby był sinusoidalny i nie było przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem i prądem fazowym transformatora (moc bierna równa zero).
Skuteczność obniżania harmonicznych w sieci zasilania, mierzoną współczynnikiem zawartości harmonicznych prądu THDi i indeks kosztu zastosowania wybranej metody redukcji harmonicznych prądu w sieci zasilania przedstawia rysunek 7.
Rys. 7. Wybrane metody redukcji harmonicznych prądu w sieci napięcia przemiennego wytwarzanych przez przekształtniki AC/DC w funkcji wartości THDi i indeksu kosztu, rys. M. Żurek-Mortka, J. Szymański
Z jego analizy wynika, że stosowanie aktywnych metod filtracji prądów harmonicznych jest ponad dwukrotnie kosztowniejsze od metod pasywnych, ale ich skuteczność jest ponad pięciokrotnie większa.
Stosowanie separacji galwanicznej podzespołów zasilacza napięcia gwarantowanego
Stosowanie separacji galwanicznej w przekształtnikach zasilaczy napięcia gwarantowanego UPS lub zasilaczy do ładowania baterii pojazdów elektrycznych pozwala na galwaniczne oddzielenie zespołów przekształtników energoelektronicznych od systemu zasilania. Jest to rozwiązanie kosztowne, niemniej pozwala na przerwanie przenoszenia do systemu zasilania zaburzeń przewodowych tak nisko-, jak i wysokoczęstotliwościowych. Jedynie sprzęgnięty indukcyjnie zespół energoelektroniczny jest odporny na występowanie zaburzeń występujących w sieci zasilania. Separacja galwaniczna może być wykonana poprzez zastosowanie transformatorów separacyjnych o częstotliwości sieciowej lub przy wykorzystaniu przetwarzania wysokoczęstotliwościowego z konwerterów energoelektronicznych. Przykładowe rozwiązanie zasilacza napięcia gwarantowanego z wykorzystaniem separacyjnych transformatorów sieciowych przedstawia rysunek 8.
Rys. 8. Schemat blokowy zasilacza napięcia gwarantowanego UPS z pełnym odseparowaniem galwanicznym przekształtników energoelektronicznych od przemysłowej sieci napięcia przemiennego [1]
Przedstawiona konfiguracja zasilacza napięcia gwarantowanego UPS umożliwia zastosowanie elementów półprzewodnikowych w podzespołach energoelektronicznych zasilacza o niższej klasie napięciowej, zwykle mniej kosztownych. Dopasowanie napięć następuje poprzez odpowiedni dobór przekładni napięciowej w transformatorach separacyjnych.
Wybrane badania symulacyjne podzespołów zasilaczy UPS
Dla zobrazowania możliwości zastosowania separacji galwanicznej wybranych sekcji zasilacza napięcia gwarantowanego UPS z pomocą konwersji wysokoczęstotliwościowej napięcia sieciowego przedstawiono w tej części model przekształtnika umożliwiający zasilanie napięciem DC mikrosieci.
Rys. 9. Model przekształtnika do ładowania zasobnika energii prądu stałego z separacją galwaniczną sieci napięcia stałego: a) model falownika pełnomostkowgo jednofazowego z separowanymi prostownikami wysokoczęstotliwościowymi i grafem stanów układu sterowania jednobiegunową modulacją przerywaną PWM falownika pełnomostkowego, b) przebiegi napięć: prostowane napięcie przemienne falownika uVM10, wyprostowane napięcia stałe uVM3 i uVM5 dla odseparowanych galwanicznie mikrosieci DC
Zaproponowany na rysunku 9. model przekształtnika DC/DC ilustruje zasadę przekształcania napięcia wyprostowanego sieci zasilania prostownikiem diodowym 6-pulsowym E2 = 560V na odseparowane galwanicznie od sieci przemysłowej napięcia stałe o różnych wartościach. Napięcie to może zasilać magazyny energii współpracujące z mikrosieciami DC zasilaczy napięcia gwarantowanego, które podtrzymują pracę UPS przy przerwach zasilania z sieci podstawowej napięcia przemiennego. Schemat (rys. 9a) przedstawia falownik pełnomostkowy, który przekształca napięcia stałe DC 560 V na sinusoidalne napięcia przemienne o częstotliwości harmonicznej podstawowej równej 2 kHz. Falownik pełnomostkowy wykorzystuje jednobiegunową sinusoidalną modulację przerywaną PWM, której parametry przedstawiono pod postacią grafu stanów. Rysunek 9b przedstawia wysokoczęstotliwościowe napięcie przemienne o wartości 2 kHz (VM10) oraz napięcia nieobciążonych dwóch zasilaczy dla różnych mikrosieci odseparowanych galwanicznie od sieci elektroenergetycznej o wartościach odpowiednio VM3 = 450 VDC i VM5 = 225 VDC.
Jednofazowe napięcie przemienne falownika zasila dwa szeregowo połączone uzwojenia pierwotne transformatorów ferrytowych, wykorzystywanych do indukcyjnego sprzężenia elektromagnetycznego dla dostarczenia energii do uzwojeń wtórnych. Do uzwojeń wtórnych dołączone są niezależne dwa jednodiodowe prostowniki, których napięcie wyjściowe może zasilać zasobniki różnych mikrosieci zasilaczy napięcia gwarantowanego. Warto tu zauważyć, że moc ładowania magazynów energii może być zwykle wielokrotnie mniejsza od mocy dostarczanej krótkotrwale przez mikrosieć do zasilacza napięcia gwarantowanego UPS. Ładowanie zasobnika energii może odbywać się w cyklu wielogodzinnym. Zasobniki energii i metody ich ładowania zostały omówione we wcześniejszym artykule [8].
Podsumowanie
Przedstawiona podstawowa struktura zasilacza napięcia gwarantowanego UPS może być szeroko modyfikowana zależnie od potrzeb użytkowych. Niemniej główne komponenty energoelektroniczne zasilaczy UPS mają zbliżone właściwości. Prostowniki wejściowe zasilaczy mają różną budowę, co skutkuje wysokim poziomem zaburzeń harmonicznymi prądu sieci przemysłowej, a tym samym sprzyja występowaniu harmonicznych prądu na drodze przepływu energii pomiędzy transformatorem i prostownikami. Następuje odkształcenie napięć transformatora i rozprzestrzenianie się odkształconych napięć po całym systemie zasilania. Omówione metody ograniczania zawartości harmonicznych prądu, tak pasywne jak i aktywne, pomagają uzyskać dopuszczalny, tj. określony normami poziom odkształceń napięciowych przemysłowego lub publicznego systemu napięcia przemiennego. Problem przenoszenia zaburzeń przewodowych do systemu zasilania napięciem przemiennym jest całkowicie wyeliminowany przy stosowaniu pełnej separacji zasilaczy napięć gwarantowanych UPS.
Współpraca zasilaczy UPS z mikrosieciami DC ma podstawowe znaczenie dla zapewnienia ciągłości zasilania wrażliwych odbiorników, takich jak centrale telekomunikacyjne lub serwerownie, dlatego w końcowej części publikacji przedstawiono przykładowe rozwiązanie separowanego zasilacza zasobnika energii na potrzeby mikrosieci DC.
Literatura
- APS Energia, Katalog produktów – Systemy Zasilania Gwarantowanego: http://www.apsenergia.pl/images/katalogi/katalogi_new/Katalog_Produktowy_APS_Energia_2021.pdf dostęp: 21.08.2022.
- J. Szymański, Napięcia zaburzeń doziemnych i międzyfazowych w napędach z przekształtnikami częstotliwości, „elektro.info” nr 11/2013.
- J. Szymański, Prądy doziemne w napędach z przemiennikami częstotliwości zasilanymi z sieci górniczych, „elektro.info” nr 5/2012.
- J. Szymański, Harmoniczne prądu i napięcia w sieci zasilającej wprowadzane przez prostowniki wejściowe napędowych przemienników częstotliwości, „elektro.info” nr 9/2007.
- J. Szymański, Harmoniczne prądów w sieci zasilania z 12-pulsowymi prostownikami diodowymi, „elektro.info” nr 6/2016.
- A. Pozowski, Nowe trendy ochrony sieci zasilających przed wyższymi harmonicznymi prądu i napięcia przy zasilaniu z przemienników częstotliwości. Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne nr 79/2008
- J. Szymański, M. Żurek-Mortka, S. Sachan, D. Acharjee, Simulation Research of Low-Voltage Modules of Rectifier in 3kV Railway Substation, 2020 IEEE First International Conference on Smart Technologies for Power, Energy and Control (STPEC), 2020, DOI: 10.1109/STPEC49749.2020.9297803.
- M. Żurek-Mortka, K. Kuczyński, Magazynowanie energii w zasilaczach UPS, „elektro.info” nr 7-8/2022.
