Skalowanie czasu pracy autonomicznej w systemach zasilania gwarantowanego

Karol Bednarek
EVER Sp. z o.o.

 

SKALOWANIE CZASU PRACY AUTONOMICZNEJ W SYSTEMACH ZASILANIA GWARANTOWANEGO

 

 

Wprowadzenie 

W środowisku pracy, jak również mieszkalnym człowieka ciągle wzrasta liczba obiektów, do których należy dostarczyć energię elektryczną. Wzrastają także często oczekiwania związane z jakością doprowadzanej energii. Z uwagi na funkcjonowanie w bliskim otoczeniu bardzo dużej liczby odbiorników o różnym charakterze, zawierających elementy zachowawcze (kondensatory, cewki) oraz podzespoły nieliniowe, w których występują stany przejściowe (nieustalone) bądź pobierających prąd impulsowo, w sieciach zasilających powstają zaburzenia elektromagnetyczne, które mogą spowodować np. zakłócenie prawidłowości działania zasilanego osprzętu, zwiększenie jego strat mocy, utratę przetwarzanych informacji bądź powstanie awarii. Dodatkowo pojawiają się czasami zaniki napięcia zasilającego związane z okresowymi kłopotami w pokryciu zapotrzebowania na energię elektryczną (celowe wyłączenia określonych odbiorców) bądź z wystąpieniem stanu awaryjnego (szczególnie podczas oddziaływania niekorzystnych warunków atmosferycznych) albo zmiany wartości lub częstotliwości napięcia sieciowego (m.in. wynikające z dynamicznego załączania dużych obciążeń) [1-3]. 

Istnieje duża grupa urządzeń, dla których nagłe, nieprzewidziane braki bądź nieprawidłowości zasilania związane są z powstawaniem dotkliwych strat ekonomicznych (np. wynikających z wystąpienia przestojów w procesach produkcyjnych), z utratą przetwarzanych danych i informacji (straty często niepoliczalne ekonomicznie), z wpływem na zdrowie lub życie człowieka (funkcjonowanie osprzętu medycznego) albo w inny sposób mogą być szczególnie uciążliwymi dla człowieka. W celu ograniczania możliwości zajścia tych niekorzystnych skutków złej jakości napięcia zasilającego stosuje się systemy zasilania gwarantowanego (UPS) [1-5]. 

Zadaniem UPS VFI (on-line – z podwójnym przetwarzaniem energii) jest poprawa jakości napięcia zasilającego odbiorniki (w trybie pracy normalnym, gdy napięcie sieciowe spełnia warunki jego poprawności) oraz bezprzerwowe dostarczenie energii do odbiorników (w trybie rezerwowym, bateryjnym) w przypadku zaników lub nieprawidłowości napięcia sieciowego. 

W pracy zajęto się zagadnieniami skalowania (doboru) czasu pracy autonomicznej (rezerwowej) systemów zasilania gwarantowanego. Opisano moduły bateryjne i możliwość ich wykorzystania. W celu umożliwienia nieprzerwanej długotrwałej pracy autonomicznej (przy braku prawidłowego napięcia sieciowego) rozpatrzono także współpracę zasilacza UPS z zespołem prądotwórczym. W końcowej części pracy skomentowano uzyskane rezultaty.

Skalowanie czasu pracy autonomicznej UPS

Czas podtrzymania zasilania w trybie rezerwowym zależny jest od mocy załączonych na wyjściu UPS odbiorników oraz od ilości energii zgromadzonej w akumulatorach (zasobnikach) [4-5]. Źródła napięcia łączy się szeregowo w celu uzyskania wyższej wartości napięcia, natomiast efektem połączenia równoległego jest zwiększenie wartości dostępnego prądu, a zatem również pojemności elektrycznej zasobnika. W trybie rezerwowym z zasobników do UPS dostarczana jest energia o odpowiedniej wartości napięcia stałego. Układ szeregowo połączonych akumulatorów o wymaganej wartości napięcia tworzy tzw. string o określonej pojemności (równej pojemności pojedynczego akumulatora w stringu). W celu wydłużenia czasu pracy w trybie rezerwowym do zasilaczy UPS podłącza się tzw. moduły bateryjne, składające się z określonej liczby równolegle połączonych stringów. Iloczyn napięcia i pojemności elektrycznej układu określa ilość zgromadzonej energii elektrycznej, możliwej do wykorzystania w trybie rezerwowym (należy jednak uwzględnić występowanie strat energetycznych w układzie zasilania). Do UPS można podłączać równolegle określoną dopuszczalną liczbę modułów bateryjnych, która jest powiązana z parametrami układu ładowania akumulatorów w UPS. W przypadku wymaganych długich czasów podtrzymania zasilania zamiast stosowania modułów bateryjnych można wykorzystać odpowiednio utworzone i połączone stringi akumulatorów o dużych pojemnościach ułożone na stojakach. Ograniczona jest wówczas pojemność całkowita układu. W akumulatorach elektrochemicznych ilość pobieranej z nich energii zależy również od warunków ich użytkowania (głównie wartości pobieranych prądów, napięć końcowych rozładowania oraz temperatury). Z tego względu w celu określenia czasów podtrzymania zasilania odbiorników korzysta się z tzw. charakterystyk stałomocowych, podawanych przez producentów akumulatorów. Należy mieć na uwadze, że zbyt głębokie rozładowania akumulatorów mogą prowadzić do intensywnego pogorszenia ich pojemności i rezystancji wewnętrznej, a nawet spowodować uszkodzenie akumulatora.

Autonomiczne zasilanie w układzie agregat prądotwórczy - UPS

Elementem systemów zasilania gwarantowanego mogą być również zespoły (agregaty) prądotwórcze. Ich samodzielna praca może nie być dla zasilanych odbiorników korzystna, ponieważ wartość i częstotliwość wytwarzanego przez nie napięcia zmienia się przy skokowych przełączeniach dużych obciążeń. Ponadto – zależnie od sposobu ich pracy w układzie – podczas zaniku napięcia sieciowego może być potrzebny określony czas niezbędny do ich uruchomienia i wytworzenia napięcia o właściwych parametrach. Dlatego często stosuje się systemy zasilania gwarantowanego złożone z zespołu prądotwórczego i zasilacza UPS. UPS bezprzerwowo dostarcza energię do odbiorników utrzymując wysoką jakość parametrów doprowadzanego napięcia, natomiast agregat długotrwale zasila UPS. Eliminuje się dzięki temu powstawanie przerw w zasilaniu odbiorników oraz nieprawidłowości dostarczanego do nich napięcia, uzyskując jednocześnie długi czas pracy autonomicznej.

Wyniki pomiarów 

Z uwagi na zależność pojemności akumulatorów, a w efekcie czasów podtrzymania zasilania, od warunków użytkowania akumulatorów na rys. 1 zamieszczono wykresy obrazujące zależności czasów podtrzymania zasilania odbiorników jako funkcji mocy obciążenia dla różnych konfiguracji zasobników energii w zasilaczu UPS EVER POWERLINE GREEN 33 (o trójfazowym zasilaniu z sieci na wejściu i trójfazowym napięciu wyjściowym – doprowadzanym do zabezpieczanych odbiorników) o mocy znamionowej 40 kVA/32 kW. 

Ponadto zrealizowano badania pod kątem oceny jakości napięcia zasilającego odbiorniki energii. Na wyjściu zasilacza UPS podłączono niesymetrycznie (tylko do jednej fazy L1) odbiornik nieliniowy, pobierający prąd półokresowo. UPS (dzięki podwójnemu przetwarzaniu energii) wprowadza symetryzację obciążenia – z sieci pobierane są przez zasilacz prądy równomiernie obciążające wszystkie trzy fazy. Na rys. 2 przedstawiono porównanie jakości napięcia sieciowego – zasilającego UPS (pokazano jedną fazę; pozostałe dwie fazy są analogiczne, tylko przesunięte kątowo o 120º) z napięciem na wyjściu UPS (dostarczanym do odbiorników).

Rezultaty przeprowadzonych badań potwierdzają fakt, że napięcie wytworzone przez UPS on-line (doprowadzane do zabezpieczanych odbiorników) ma korzystniejszy kształt (sinusoidalny) niż napięcie sieciowe. Na podstawie pomiarów można stwierdzić, że całkowity współczynnik zniekształceń napięcia THDu na wyjściu zasilacza UPS jest ponad dwukrotnie mniejszy od THDu napięcia sieciowego. Mimo niesymetrycznie podłączonego (jednofazowo) odbiornika na wyjściu UPS sieć obciążana jest (przez zasilacz) równomiernie trójfazowo.

Rys. 1. Zależność czasów podtrzymania zasilania zabezpieczanych odbiorników od mocy obciążenia, przy różnych wariantach podłączonych do UPS modułów bateryjnych

 

     a)    Kształt i wartości napięć oraz pobieranych prądów na wejściu UPS – sieciowe                b) Kształt i wartości napięć oraz pobieranych prądów na wyjściu UPS (doprowadzone do odbiorników)
    
      

Rys. 2. Kształt i wartości napięć oraz pobieranych prądów: a) na wejściu UPS – sieciowe (pokazano jedną fazę), b) na wyjściu UPS (doprowadzone do odbiorników) 


Wnioski

Prawidłowe określenie specyfiki odbiorników energii w różnych obiektach związanych z działalnością człowieka umożliwia właściwe dostosowanie technicznych środków zaradczych w celu ograniczenia oddziaływania zaburzeń i jednocześnie bezprzerwowego dostarczenia energii do zasilanych urządzeń w przypadkach zaniku bądź nieprawidłowości napięcia sieciowego.

Czasy podtrzymania zasilania awaryjnego zabezpieczanych przez system zasilania gwarantowanego odbiorników nie są liniową funkcją mocy, ponieważ ilość dostępnej energii (w zasobnikach) w znaczącym stopniu zależy od prądów rozładowania akumulatorów (zatem również od mocy załączonych obciążeń), a także od napięć końcowych rozładowania oraz warunków temperaturowych. Należy przy tym mieć na uwadze, że w miarę zużycia akumulatorów (efekty starzenia) maleje ich pojemność elektryczna, a rośnie rezystancja wewnętrzna, co będzie wpływało na skrócenie czasów podtrzymania zasilania.
W przypadku zapotrzebowania na długie czasy pracy autonomicznej układu zasilania awaryjnego warto wykorzystać współpracę zasilacza UPS z zespołem prądotwórczym. Osiąga się dzięki temu nieprzerwane długotrwałe zasilanie wrażliwych odbiorników napięciem o oczekiwanej bądź wymaganej jakości.

 



Literatura

[1] Bednarek K., Kasprzyk L., Suppression of higher harmonic components introduction to the networks and improvement of the conditions of electric supply of electrical equipment, Przegląd Elektrotechniczny, No 12b, 2012, p. 236-239.
[2] Barlik R., Nowak M., Jakość energii elektrycznej – stan obecny i perspektywy, Przegląd Elektrotechniczny, nr 07/08, 2005, s. 1-12.
[3] Bielecki S., Jakość energii elektrycznej na rynku energii, Przegląd Elektrotechniczny, nr 07/08, 2007,
s. 68-72.
[4] Bednarek K., Kasprzyk L., Zasobniki energii w systemach elektrycznych, cz. 1 i 2, , Poznan University of Technology Academic Journals, Electrical engineering, No 69, Poznań 2012, p. 199-218.
[5] Bednarek K., Moduły bateryjne w systemach zasilania gwarantowanego (UPS), Elektro.info, nr 4, 2013, s. 72-74.

Opublikowano:  w materiałach XXV Sympozjum PTZE Zastosowania Elektromagnetyzmu w Nowoczesnych Technikach i Medycynie, Wieliczka, czerwiec 2015, s. 37-40.