dr inż. Karol BEDNAREK

EVER Sp. z o.o.

WZROST BEZPIECZEŃSTWA ENERGETYCZNEGO POPRZEZ

POPRAWĘ JAKOŚCI I PEWNOŚCI ZASILANIA ELEKTRYCZNEGO

STRESZCZENIE

W pracy zajęto się zagadnieniem bezpieczeństwa energetycznego o zasięgu lokalnym (w

mikroskali – bezpośrednio użytkowników energii elektrycznej), polegającego na poprawie

pewności i jakości zasilania elektrycznego. Rozważano wpływ systemu zasilania

gwarantowanego UPS na niezawodność i jakość napięcia dostarczanego do odbiorników, jak

również na poprawę współpracy odbiorników energii z siecią zasilającą. Omówiono

oddziaływania zaburzeń w sieciach elektroenergetycznych oraz znaczenie jakości energii w

zasilaniu urządzeń. Przeanalizowano i skomentowano rezultaty przeprowadzonych badań

fizycznych związanych z wprowadzeniem do układu zasilania odbiorników energii

elektrycznej systemu zasilania gwarantowanego UPS EVER POWERLINE GREEN 33.

Rozważania dotyczą: poprawy stabilności wartości napięcia wyjściowego UPS w stosunku do

zmian napięcia wejściowego (sieciowego) w stanach stabilnych, jak również przy nagłych,

skokowych zmianach wartości mocy załączanego obciążenia; wprowadzania symetryzacji

obciążenia faz sieci zasilającej mimo silnej niesymetrii podłączonych do UPS odbiorników;

zmniejszania odkształceń prądu pobieranego z sieci w stosunku do odkształceń prądu

pobieranego na wyjściu UPS przez odbiornik o silnej nieliniowości, a także selektywności

działania zabezpieczeń na liniach dystrybucji zasilania (jako efektu wysokiego prądu zwarcia

UPS). Ponadto zaprezentowano wyniki badań dodatkowej funkcjonalności UPS EVER

(zgłoszonej w Urzędzie Patentowym), jaką jest kompensacja mocy biernej (bez dołączania

dodatkowych urządzeń kompensujących).

WPROWADZENIE

Współczesne społeczeństwa funkcjonalnie w pełni uzależniły się od dostaw energii

elektrycznej. Wszelkie branże gospodarki, zarówno przemysł, cała sfera usług, jednostki

naukowe i administracyjne, jak również działalność prywatna człowieka związane są z

powszechnym wykorzystaniem elementów, urządzeń i systemów elektrycznych,

elektronicznych oraz informatycznych, dlatego pewność dostaw energii elektrycznej jest

priorytetowym zagadnieniem niezależnie od obszaru działalności człowieka.

Bezpieczeństwo energetyczne w makroskali (odpowiednio kraju bądź regionu) związane jest

nierozerwalnie z rynkami i gospodarką surowców energetycznych oraz z wytwarzaniem i

dystrybucją energii elektrycznej. W mikroskali (a zatem z punktu widzenia przedsiębiorstwa

lub ogólnie użytkowników) bezpieczeństwo energetyczne powiązane jest silnie z pewnością

zasilania elektrycznego oraz z jakością dostarczanej energii elektrycznej.

W wyniku masowego pojawienia się w użytkowaniu odbiorników o znacznych

nieliniowościach, jak również zawierających elementy zachowawcze (indukcyjności,

pojemności) w rezultacie wzajemnego oddziaływania elektromagnetycznego urządzeń

(zagadnienia kompatybilności elektromagnetycznej1) na odbiorniki energii mogą oddziaływać

zaburzenia, które z kolei mogą wywołać zakłócenia prawidłowości pracy urządzeń bądź

doprowadzać do ich awarii2. Szczególnej wagi nabiera zatem problematyka zapewnienia

prawidłowej, niezakłóconej pracy użytkowanych odbiorników energii.

Pewność i jakość zasilania elektrycznego można zwiększyć poprzez zastosowanie systemów

zasilania gwarantowanego z podwójnym przetwarzaniem energii (UPS on-line)3. Urządzenia

te (jako beztransformatorowe) nie wprowadzają separacji elektrycznej odbiorników od sieci

zasilającej, zapewniają natomiast separację energetyczną. Przy właściwie dobranych

systemach zasilania gwarantowanego umożliwia to poprawę jakości dostarczanej do

odbiorników energii elektrycznej, eliminację oddziaływania sieciowych zaburzeń

przewodzonych, podtrzymanie zasilania odbiorników w chwilach przerw w zasilaniu

sieciowym (stwarzające możliwość przeprowadzenia w określonym czasie bezpiecznego

zakończenia realizowanych procesów), osiągnięcie wzrostu niezawodności systemu zasilania

1 Charoy A., Compatibilite electromagnetique. Parasites et perturbations des electroniques. 1-4, Paris 1996.

2 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” 2012,

No 12b, s. 236-239. 3 Bednarek K., Jakość, pewność i właściwa konstrukcja układu zasilania a bezpieczeństwo urządzeń

elektrycznych, „Elektro.info” 2012, nr 12, s. 26-31.

(dodatkowo przez zastosowanie układów redundantnych) oraz ograniczenie negatywnego

oddziaływania odbiorników nieliniowych i niesymetrycznych na sieć zasilającą.

W niniejszej pracy zajęto się tematyką wzrostu bezpieczeństwa zasilania elektrycznego

poprzez poprawę pewności i jakości dostarczanej do odbiorników energii elektrycznej oraz

ograniczanie wprowadzania do sieci energetycznej zaburzeń generowanych przez odbiorniki

nieliniowe i niesymetryczne jako efektów zastosowania systemu zasilania gwarantowanego,

na przykładzie UPS EVER POWERLINE GREEN 33. Zamieszczono i skomentowano wyniki

zrealizowanych badań fizycznych: poprawy stabilności wartości napięcia wyjściowego UPS

w stosunku do wahań napięcia wejściowego (sieciowego), jak również przy nagłych

zmianach wartości mocy załączanego obciążenia, wprowadzenie równomierności obciążenia

faz sieci zasilającej mimo silnej niesymetrii podłączonych do UPS odbiorników, zmniejszenie

odkształceń prądu pobieranego z sieci w stosunku do odkształceń prądu pobieranego na

wyjściu UPS przez odbiornik o silnej nieliniowości oraz selektywność działania zabezpieczeń

na liniach dystrybucji zasilania (jako efektu wysokiego prądu zwarcia UPS). Zaprezentowano

również rezultaty badań dodatkowej funkcjonalności UPS EVER, jaką jest kompensacja

mocy biernej.

ODDZIAŁYWANIE ZABURZEŃ W SIECIACH ELEKTROENERGETYCZNYCH

Osprzęt elektryczny, elektroniczny czy informatyczny podlega ciągłemu burzliwemu

rozwojowi, w rezultacie czego wzrasta poziom zaawansowania technicznego urządzeń.

Stosuje się w nich coraz więcej elementów zachowawczych (biernych) oraz nieliniowych.

W trakcie ich funkcjonowania powstają stany nieustalone, efekty łączeniowe, odkształcenia

prądów i napięć, asymetrie obciążenia. Ma miejsce zdyskretyzowany, impulsowy pobór

energii. Powstają impulsowe zaburzenia przejściowe, wyższe harmoniczne prądów i napięć,

wahania wartości napięć, a zatem dochodzi do oddziaływania zaburzeń w rozgałęzionych

obwodach i sieciach elektrycznych. W efekcie tych oddziaływań może dochodzić do

zakłócania prawidłowego funkcjonowania urządzeń.

Mechanizm przenikania zaburzeń do obwodów elektrycznych nazywa się sprzężeniem.

W rezultacie oddziaływania sprzężeń (niepożądanych, pasożytniczych) indukcyjnych,

pojemnościowych bądź przez wspólną impedancję w obwodach sąsiednich mogą powstawać

(generować się) sygnały zaburzające. Do najczęściej występujących zaburzeń w sieciach

elektroenergetycznych należą:

zaniki napięcia (krótkotrwałe bądź długotrwałe),

wahania wartości napięcia (wzrosty lub zapady napięcia),

przepięcia (krótkotrwałe impulsy wysokonapięciowe),

wahania częstotliwości napięcia,

odkształcenia przebiegu napięcia (wyższe harmoniczne).

Ze względu na skalę wykorzystania w gospodarce oraz życiu prywatnym człowieka urządzeń

elektrycznych, elektronicznych i informatycznych, częste ich nagromadzenie w bliskim

otoczeniu oraz wzajemne oddziaływanie na siebie niezwykle istotnym problemem jest

zapewnienie prawidłowej, niezakłóconej pracy każdego z tych obiektów. W celu osiągnięcia

harmonijnego funkcjonowania poszczególnych urządzeń we wspólnym środowisku (przy

zasilaniu ze wspólnej sieci) w procedurach związanych z kompatybilnością

elektromagnetyczną ustalono dopuszczalne poziomy oddziaływań zarówno w zakresie

emisyjności (wprowadzania do środowiska), jak również odporności (ograniczonej

wrażliwości na oddziaływanie zaburzeń), jakie każdy z tych obiektów elektrycznych

i elektronicznych powinien spełniać4.

Oddziaływania zaburzeń związane są między innymi z jakością dostarczanej do odbiorników

energii elektrycznej. Zgodnie z zapisami IEC – ACEC (International Electrotechnical

Commission – Advisory Committee on Electromagnetic Compatibility): jakość energii

elektrycznej determinowana jest przez zbiór parametrów opisujących właściwości procesu

dostarczania energii do użytkownika w normalnych warunkach pracy, określających ciągłość

zasilania (długie i krótkie przerwy w zasilaniu) oraz charakteryzujących napięcie zasilania

(wartość, niesymetrię, częstotliwość, kształt przebiegu czasowego)5.

WAGA JAKOŚCI ENERGII W ZASILANIU URZĄDZEŃ

Jakość energii elektrycznej6 ma bezpośredni wpływ na prawidłowość funkcjonowania,

trwałość i bezpieczeństwo urządzeń, na powstające straty energetyczne, jak też na ciągłość

przetwarzania danych lub realizacji procesów produkcyjnych. Podstawowymi parametrami

determinującymi jakość energii (jak sprecyzowano wyżej) są: wartość i częstotliwość

napięcia, odkształcenia przebiegu napięcia, jak również ciągłość zasilania.

4 Bednarek K., Electromagnetic compatibility – the standard and legal problems, [w:] Computer applications in

electrical engineering, R. Nawrowski (red.), Poznań 2006, s. 89-105. 5 Hanzelka Z., Warecki J., Piątek K., Chmielowiec K., Zła jakość energii elektrycznej a zagrożenie pożarowe –

analiza przypadku, [w:] Ochrona przeciwpożarowa w instalacjach elektrycznych, (pr. zb), Warszawa 2012. 6 Bielecki S., Jakość energii elektrycznej na rynku energii, „Przegląd Elektrotechniczny” 2007, nr 7/8, s. 68-72.

Oddziałujące w obwodach elektrycznych i elektronicznych zaburzenia mogą zakłócać

prawidłową pracę urządzeń i wywoływać szereg niekorzystnych skutków, do których można

zaliczyć:

powstawanie dodatkowych strat mocy,

przegrzewanie się urządzeń,

uszkodzenia podzespołów elektrycznych lub elektronicznych,

utratę przetwarzanych informacji i danych,

powstawanie przestojów w pracy urządzeń (w wyniku awarii lub zadziałania

zabezpieczeń),

zakłócanie pracy oraz przedwczesne starzenie się osprzętu,

powstawanie dodatkowych drgań mechanicznych i nierównomierności pracy urządzeń

z masami wirującymi (silników, układów napędowych),

zmiany parametrów technicznych oraz sprawności odbiorników,

powstawanie zagrożeń pożarowych itp.

BEZPIECZEŃSTWO W MIKROSKALI – POPRAWA WARUNKÓW ZASILANIA

ELEKTRYCZNEGO

Pewność i jakość dostarczanej do odbiorników energii można zwiększyć za pomocą różnych

środków technicznych7. Szczególnie jest to istotne w przypadku zasilania tzw. odbiorników o

znaczeniu strategicznym, czyli takich, w których nawet krótkotrwałe przerwy w zasilaniu

bądź nieprawidłowości parametrów napięcia zasilającego, a także oddziaływanie zaburzeń

sieciowych mogą doprowadzić do utraty przetwarzanych informacji i danych, nagłego

niekontrolowanego przerwania procesów technologicznych (prowadzącego często do

powstania dotkliwych strat ekonomicznych) albo do wystąpienia zagrożeń dla zdrowia lub

życia ludzi.

Jednym z bardzo korzystnych sposobów poprawy jakości i pewności zasilania elektrycznego

jest wykorzystanie systemów zasilania gwarantowanego z podwójnym przetwarzaniem

energii (UPS on-line)8. Dzięki ich właściwemu zastosowaniu osiąga się:

poprawę wartości, częstotliwości i kształtu napięcia dostarczanego do zabezpieczanych

odbiorników, co korzystnie wpływa na ich warunki funkcjonowania,

7 Pasko M., Lange A., Kompensacja mocy biernej i filtracja wyższych harmonicznych za pomocą filtrów

biernych LC, „Przegląd Elektrotechniczny” 2010, nr 4, s. 126-129. 8 Bednarek K., Kasprzyk L., Suppression..., op.cit.

wyeliminowanie oddziaływania przenoszonych przez przewodzenie zaburzeń sieciowych

(powstających w wyniku podłączenia do wspólnej sieci przez innych odbiorców obciążeń

nieliniowych, niesymetrycznych bądź wielokrotnie przełączanych),

wzrost pewności, niezawodności dostarczania do odbiorników energii elektrycznej o

określonej jakości (również w przypadkach zaników zasilania sieciowego); dodatkowe

zwiększenie niezawodności układu zasilania można osiągnąć przez zastosowanie

systemów redundantnych (nadmiarowych w stosunku do tego, co jest konieczne),

zmniejszenie niekorzystnego oddziaływania odbiorników o silnych nieliniowościach bądź

niesymetriach na sieć elektroenergetyczną i pracujące w niej inne urządzenia odbiorcze.

Wszystkie te elementy wpływają bezpośrednio na poprawę jakości i niezawodności zasilania

elektrycznego zabezpieczanych odbiorników, a zatem na poprawę bezpieczeństwa

energetycznego w mikroskali (odbiorców energii).

SYSTEMY ZASILANIA GWARANTOWANEGO

Zasadniczą funkcją systemów zasilania gwarantowanego UPS (Uninterruptible Power

Systems)9 jest dostarczenie energii elektrycznej do zasilanych odbiorników w określonym

czasie w przypadku zaniku lub nieprawidłowości napięcia sieciowego, jak również poprawa

parametrów i w ogóle jakości zasilania elektrycznego. Realizację tak postawionych zadań

uzyskuje się w rezultacie bieżącego monitorowania stanu napięcia sieciowego oraz takiego

zarządzania energią z sieci, blokami funkcjonalnymi zasilacza UPS i energią zgromadzoną w

akumulatorach, aby zapewnić jak najkorzystniejsze warunki zasilania zabezpieczanych

odbiorników, a w przypadku zaniku lub nieprawidłowości napięcia sieciowego podtrzymać

zasilanie odbiorników w określonym czasie, umożliwiającym bezpieczne zakończenie

realizowanych procesów10

. Ogranicza się w ten sposób powstawanie stanów awaryjnych

odbiorników, jak również straty ekonomiczne i zasobowe wynikające z niekontrolowanego

przerwania funkcjonowania urządzeń lub realizowanych procesów technologicznych bądź

utraty przetwarzanych informacji.

W zależności od poziomu zaawansowania technicznego, spełnianych funkcji, a zatem

rozwiązań konstrukcyjnych wśród układów zasilania gwarantowanego UPS rozróżnia się

systemy:

9 Wiatr J., Miegoń M., Zasilacze UPS oraz baterie akumulatorów w układach zasilania gwarantowanego, seria

Zeszyty dla elektryków - nr 4, Warszawa 2008. 10

Bednarek K., Jakość..., op.cit.

VFD (Voltage Frequency Dependent) – off-line,

VI (Voltage Independent) – line interactive,

VFI (Voltage Frequency Independent) – on-line.

Zasilacze VFD oraz VI stosowane są do zasilania urządzeń mniejszych mocy. W przypadku

prawidłowości (występowania dopuszczalnych zmian) napięcia wejściowego realizowany jest

tryb normalny (sieciowy), podczas którego odbiorniki zasilane są niekondycjonowanym

napięciem sieciowym (w układach VI korygowana jest wartość napięcia). Podczas zaników

bądź nieprawidłowości napięcia sieciowego zasilacz przechodzi do trybu rezerwowego

i zasila zabezpieczane odbiorniki dzięki energii zgromadzonej w akumulatorach. Czas

przełączania z pracy sieciowej na rezerwową jest krótki (rzędu kilku milisekund), co

w większości przypadków nie jest uciążliwe dla pracy odbiorników. W sytuacjach zasilania

odbiorników szczególnie wrażliwych nawet na bardzo krótkotrwałe przerwy w zasilaniu

zaleca się zastosowanie UPS VFI.

W zasilaczach VFI (on-line) wejście UPS zasilane jest z sieci elektroenergetycznej (rys. 1).

Występuje w nich podwójne przetwarzanie energii.

Rys. 1. Schemat blokowy zasilacza UPS VFI (on-line)

Przemienne napięcie sieciowe w blokach wejściowych przetwarzane jest na napięcie stałe. Za

pomocą magistrali napięcia stałego z obwodu stałonapięciowego dostarczane jest ono na

wejście falownika, gdzie zostaje przetworzone na napięcie przemienne o ściśle

kontrolowanych parametrach i dostarczone do zabezpieczanych odbiorników energii (tryb

pracy normalny). Jednocześnie część energii z obwodu stałonapięciowego dostarczana jest do

układu akumulatorów. Dzięki temu baterie utrzymywane są w stanie pełnego naładowania

(mimo nieznacznego ubytku energii występującego w procesie samorozładowania).

W przypadku zaniku napięcia sieciowego bądź nieprawidłowości jego parametrów (gdy

wartość lub częstotliwość wykraczają poza założone, tolerowane zakresy) zabezpieczane

odbiorniki zasilane są bezprzerwowo napięciem o wzorcowych parametrach dzięki energii

zgromadzonej w akumulatorach (zasobnikach energii). Realizowany jest wówczas tryb

zasilania bateryjny (rezerwowy). Czas podtrzymania zasilania zależy od ilości zgromadzonej

energii (zastosowanych zasobników – modułów bateryjnych), od podłączonego na wyjściu

obciążenia, w pewnym stopniu również od parametrów środowiskowych (temperatury,

wilgotności) i powinien zostać tak dobrany, aby bezpiecznie zakończyć realizowane procesy

w zasilanych odbiornikach i dokonać ich kontrolowanego wyłączenia.

WYNIKI BADAŃ

W celu wykazania i zobrazowania poprawy warunków pracy odbiorników energii

elektrycznej oraz sieci zasilającej współpracujących z systemem zasilania gwarantowanego

(UPS) przeprowadzono badania wybranego układu fizycznego. Dokonano pomiarów napięć,

prądów, mocy, współczynników THDi, THDu oraz zawartości poszczególnych

harmonicznych napięcia od strony zasilania sieciowego i na wyjściu UPS przy zmianach

mocy oraz charakteru obciążenia (nieliniowość, symetria sygnału) i przeanalizowano

uzyskane rezultaty. Rozważano wpływ systemu UPS on-line na poprawę bezpieczeństwa

energetycznego lokalnego odbiorcy energii, jak również ograniczenie negatywnych

oddziaływań elementów odbiorczych na sieć energetyczną.

Obiektem badań był UPS EVER POWERLINE GREEN 33 o parametrach:

• Fazowość zasilania we/wy 3 / 3

• Moc wyjściowa 40 kVA / 32 kW

• Napięcie wejściowe 173 ÷ 485 V ± 2%

• Napięcie wyjściowe 3 x 400 V ± 2%

• Częstotliwość napięcia wejściowego 45 ÷ 55 Hz ± 1 Hz

• Częstotliwość napięcia wyjściowego 50 Hz ± 0,1 Hz / synchronicznie

• Współczynnik mocy PF > 0,99

Podczas realizowanych badań obserwowano zachowanie się sygnału napięciowego na

wyjściu UPS EVER POWERLINE GREEN 33 (zasilającego odbiorniki) przy powstawaniu

stabilnych zmian wartości, krótkotrwałych zapadów oraz zaników napięcia sieciowego

(zasilającego UPS). UPS wyeliminował oddziaływanie zaburzeń napięcia sieciowego na

zasilane odbiorniki. Niezależnie od warunków zasilania na wejściu UPS (sieciowego) zasilacz

dostarczał do odbiorników napięcie stabilne, o sinusoidalnym kształcie i pomijalnie małej

zawartości harmonicznych.

Następnie przeprowadzono badanie wpływu zmian podłączanego obciążenia (stan stabilny dla

bardzo małego obciążenia oraz dla obciążenia znamionowego) na wartość napięcia

zasilającego UPS oraz napięcia dostarczanego do odbiorników. Wyniki zrealizowanych

pomiarów zamieszczono na rys. 2.

a) wejście UPS (sieć elektroenergetyczna)

– stan jałowy

– obciążenie znamionowe

b) wyjście UPS (obwód obciążenia)

– stan jałowy

– obciążenie znamionowe

Rys 2. Zmiana wartości napięcia odpowiednio na wejściu (a) oraz na wyjściu (b) UPS w stanie

jałowym oraz przy obciążeniu znamionowym

Wartość skuteczna napięcia wejściowego UPS (sieciowego) zależna była od obciążenia –

wynosiła odpowiednio 227,1 V oraz 220,0 V przy zmianach obciążenia z jałowego na

znamionowe, czyli zmieniła się o 7,1 V. Wartość napięcia wyjściowego UPS (dostarczanego

do odbiorników) utrzymywała się niezmiennie w wąskim zakresie: od 232,0 V do 230,9 V,

czyli uległa zmianie tylko o 1,1 V. Przy podobnych pomiarach UPS EVER w nieco innych

warunkach różnica wartości napięcia na wejściu (sieciowego) wynosiła kilkanaście V,

natomiast napięcie wyjściowe utrzymywało się w analogicznym zakresie, jak we wcześniej

opisanych badaniach11

. Wynika to z budowy i własności funkcjonalnych UPS on-line, który

wytwarza stabilne napięcie niezależne od jakości dostarczonej energii elektrycznej.

Przeprowadzono również badania przejściowych (chwilowych) zmian napięcia wyjściowego

UPS (zasilającego odbiorniki) w trakcie dynamicznych, skokowych zmian obciążenia z

jałowego do znamionowego oraz ze znamionowego na jałowe. Próba odbywała się przy

trudnych warunkach pracy dla UPS, ponieważ oprócz nagłej pełnej zmiany obciążenia

odbywało się to przy skrajnej niesymetrii obciążenia faz zasilacza – miało miejsce pełne

obciążanie jednej fazy, a pozostałe dwie nie były obciążane w ogóle. Wyniki uzyskanych

pomiarów zamieszczono na rys. 3.

a) b)

Rys. 3. Zmiana wartości napięcia na wyjściu UPS podczas skokowej zmiany obciążenia: od

minimalnego do znamionowego (a) oraz od znamionowego do minimalnego (b), przy

niesymetrycznym obciążeniu faz ( Imax = 42 A; faza L1 )

Podczas skokowych zmian obciążenia fazy L1 od 0 W do wartości znamionowej oraz od

znamionowego do 0 W chwilowe zmiany wartości amplitudy napięcia nie przekraczały 12 V

(przy dopuszczalnej normatywnie zmianie o 32 V). UPS w niekorzystnych stanach

przejściowych (dynamicznych zmian obciążenia) utrzymywał bardzo stabilne napięcie

dostarczane do odbiorników, umożliwiając im niezakłócone, prawidłowe funkcjonowanie.

11

Bednarek K., Kasprzyk L., Suppression..., op.cit.

Jednym z bardzo istotnych elementów prawidłowości zasilania elektrycznego odbiorników

jest kształt dostarczanego napięcia. Odkształcenia przebiegu napięciowego niekorzystnie

wpływają na pracę urządzeń. Mogą powodować powstawanie dodatkowych strat mocy,

przegrzewanie się podzespołów oraz przewodów neutralnych, przedwczesne starzenie się

urządzeń, wadliwe funkcjonowanie osprzętu elektrycznego itp. Z tych względów jako kolejny

element analiz przeprowadzono badania kształtu napięcia na wejściu i wyjściu UPS EVER

POWERLINE GREEN 33 oraz zawartości harmonicznych w tych przebiegach, jak również

całkowitych współczynników zniekształceń (współczynnik zawartości harmonicznych)

napięcia THDu. Wyniki zrealizowanych pomiarów zamieszczono na rys. 4.

a) wejście UPS

– kształty przebiegów napięcia i prądu

– widmo harmonicznych napięcia oraz THD

b) wyjście UPS

– kształty przebiegów napięcia i prądu

– widmo harmonicznych napięcia oraz THD

Rys. 4. Kształt oraz harmoniczne napięć odpowiednio na wejściu (a) oraz na wyjściu (b) UPS przy

obciążeniu niesymetrycznym i nieliniowym

Dokonując analizy kształtu napięcia wejściowego (sieciowego) zauważyć można, że

występują w nim pewne nierównomierności, spłaszczenia szczytów sinusoidy. Współczynnik

zniekształceń tego napięcia wynosi 2,1%. Napięcie wyjściowe UPS (doprowadzane do

odbiorników) ma regularny, sinusoidalny kształt, a jego współczynnik THDu wynosi 0,7%,

jest trzykrotnie mniejszy niż napięcia wejściowego.

Dodać należy, że odbywa się to przy niesymetrycznym i nieliniowym obciążeniu UPS –

odbiornik załączony jest tylko w jednej fazie, a prąd pobierany jest półokresowo. Zasilacz

UPS dokonuje symetryzacji zasilania – równomiernie są obciążane wszystkie fazy sieci

zasilającej, co bardziej szczegółowo przedstawiono na rys. 5.

a) wejście UPS

– wartości prądów, napięć i mocy

– przebiegi czasowe prądów fazowych

b) wyjście UPS

– wartości prądów, napięć i mocy

– przebiegi czasowe prądów fazowych

Rys. 5. Parametry zasilania oraz kształt prądu odpowiednio na wejściu (a) oraz na wyjściu (b) UPS

przy podłączeniu obciążenia niesymetrycznego i nieliniowego

Na rys. 5b zamieszczono wyniki badań parametrów elektrycznych na wyjściu UPS oraz

kształtu prądu pobieranego przez odbiornik. Zauważyć można, że prąd płynie tylko w fazie

L1 i pobierany jest półokresowo (występują zatem silne odkształcenia prądu obciążenia z

uwagi na charakter załączonego odbiornika). UPS z sieci zasilającej pobiera natomiast prąd

trójfazowo (rys. 5a). Poszczególne fazy zasilania sieciowego obciążone są równomiernie

(prądy mają wartości około 3 A). Ma zatem miejsce symetryzacja prądu pobieranego przez

UPS z sieci, podczas niesymetrycznego i nieliniowego obciążania zasilacza przez odbiornik.

W systemach zasilania gwarantowanego na wyjściu zasilacza UPS odbiorniki mogą być

pogrupowane w kilka linii, w których stosowane są dodatkowo zabezpieczenia liniowe

(zwarciowe i przeciążeniowe), co przedstawiono na rys. 6. Jeśli wystąpi zwarcie (stan

awaryjny) w odbiorniku jednej z zasilanych linii, wówczas w przypadku niskiego prądu

zwarcia zasilacza UPS może on przejść w stan awaryjny i odłączyć zasilanie od wszystkich

linii. W takiej sytuacji wszystkie odbiorniki nagle, niekontrolowanie przestałyby pracować, co

mogłoby pociągnąć za sobą niekorzystne (opisane wcześniej) konsekwencje.

Rys. 6. Przykładowe rozwiązanie połączeń UPS z liniami zasilanych odbiorników, z zastosowaniem

bezpieczników liniowych

Badany zasilacz UPS EVER POWERLINE GREEN 33 ma duży prąd zwarcia. W chwili

wystąpienia zwarcia w jednej z linii duży prąd zasilacza powoduje zadziałanie bezpiecznika

liniowego (w torze, w którym wystąpiło zwarcie) i odłączenie tylko tej części obwodu, a

odbiorniki w pozostałych liniach zasilane są nieprzerwanie przez UPS. Na rysunku 5

przedstawiono przebiegi prądów zwarciowych odpowiednio przy zastosowaniu

bezpieczników liniowych B16 oraz B32. Czas usuwania zwarcia (zadziałania bezpiecznika

liniowego) w przeprowadzonych próbach w przypadku bezpiecznika B16 wyniósł 1,9 ms,

natomiast podczas zastosowania bezpiecznika B32 wyniósł 3,9 ms (rys. 7). Przebiegi prądów

i czasy likwidacji zwarcia będą różne w zależności od chwili wystąpienia stanu zwarcia

(wartości chwilowej napięcia, przy której miało miejsce zwarcie). Po zadziałaniu

bezpieczników UPS EVER POWERLINE GREEN 33 nadal zasilał pozostałe linie

(zabezpieczane odbiorniki).

a) dla bezpiecznika B16 b) dla bezpiecznika B32

Rys. 7. Przebiegi liniowych prądów zwarciowych zarejestrowane podczas badań stanu zwarcia

w jednej z linii, przy zastosowaniu bezpieczników B16 oraz B32

Szczególną dodatkową funkcjonalnością, zgłoszoną w Urzędzie Patentowym, zastosowaną w

UPS EVER POWERLINE GREEN 33 jest kompensacja mocy biernej (bez stosowania

dodatkowych urządzeń kompensujących)12

. Polega ona na takim zarządzaniu prądem

pobieranym z sieci energetycznej przez układy wejściowe UPS, że następuje pełna

kompensacja mocy biernej pobieranej przez zasilacz z sieci. Na rys. 8a przedstawiono

rezultaty pomiarów mocy, prądów i napięć na wejściu po załączeniu UPS. Obwody

wejściowe UPS pobierają moc bierną pojemnościową o wartości 1,7 kvar. Po wprowadzeniu

kompensacji mocy biernej przez UPS (rys. 8b) pobierana moc bierna zmienia charakter na

indukcyjny (taką mocą w pewnym zakresie można obciążać sieć) i osiąga wartość 0,03 kvar.

Zwarzywszy na fakt, że UPS on-line pracuje często całodobowo oraz że opłaty za

ponadumowny pobór mocy biernej są nawet 3-krotnie wyższe od opłat za pobór mocy

czynnej (użytecznej), można łatwo oszacować oszczędności finansowe, wynikające z

kompensacji mocy biernej, osiągane przez użytkownika miesięcznie bądź w skali roku. Są to

12

Bednarek K., Kompensacja mocy biernej i praca hybrydowa w systemach zasilania gwarantowanego (UPS),

„Academic Journals, Electrical engineering, Poznan Uniwersity of Technology” 2013, nr 74, s. 33-41.

znaczące kwoty, co dla przedsiębiorstw ma zawsze istotne znaczenie. Dzięki kompensacji

mocy biernej osiąga się dodatkowe korzyści w postaci odblokowania możliwości

przesyłowych energii użytecznej (czynnej) za pomocą istniejących urządzeń przesyłowych.

Istnieje również możliwość wprowadzenia kompensacji mocy biernej przez UPS urządzeń

załączonych równolegle z zasilaczem do wspólnej sieci zasilającej (bez dołączania

dodatkowych urządzeń kompensacyjnych).

a) przed kompensacją b) po kompensacji

Rys. 8. Rezultaty pomiarów związanych z kompensacją mocy biernej

UWAGI I WNIOSKI

Ze względu na poziom uzależnienia gospodarki (jak również działalności prywatnej

człowieka) od dostaw energii elektrycznej zagadnienia bezpieczeństwa

energetycznego należą do grupy problemów o najwyższym priorytecie zarówno

w makroskali (w zakresie kraju bądź regionu), jak również w mikroskali

(bezpośrednio dla przedsiębiorstw czy użytkowników).

Przeprowadzone badania sygnału napięciowego na wyjściu UPS EVER POWERLINE

GREEN 33 (zasilającego odbiorniki) przy powstawaniu stabilnych zmian wartości,

krótkotrwałych zapadów oraz zaników napięcia sieciowego (zasilającego UPS)

wykazały jednoznacznie, że UPS wyeliminował oddziaływanie zaburzeń napięcia

sieciowego na zasilane odbiorniki.

Przy dynamicznych (skokowych) zmianach obciążenia od stanu jałowego (brak

obciążenia) do wartości znamionowej oraz od znamionowego do jałowego chwilowe

(przejściowe) zmiany wartości amplitudy napięcia dostarczanego do odbiorników

przez UPS były znikomo małe (kilkakrotnie niższe od dopuszczalnych w normach).

Analiza napięć na wyjściu UPS (zasilania odbiornika) oraz na wejściu zasilacza

(dostarczanego z sieci) wykazała, że UPS znacznie poprawił kształt i parametry

napięcia zasilającego odbiorniki (w stosunku do zasilania sieciowego).

Zarówno symetryzacja obciążenia sieci elektroenergetycznej przez UPS przy

niesymetrycznym obciążeniu faz zasilacza trójfazowego, jak również funkcja

kompensacji mocy biernej pozytywnie wpływają na sieć elektroenergetyczną,

a jednocześnie przynoszą wymierne, korzystne efekty (oszczędności finansowe) dla

odbiorcy energii (użytkownika).

Przeprowadzone badania wykazały, że system zasilania gwarantowanego UPS VFI

(on-line), poza bezprzerwowym dostarczeniem energii, umożliwia zasilenie

odbiorników napięciem o korzystniejszych, ściśle kontrolowanych parametrach

(niezależnie od nieprawidłowości występujących w napięciu sieciowym),

a jednocześnie ograniczenie negatywnego oddziaływania odbiorników nieliniowych

i niesymetrycznych na sieć elektroenergetyczną, co ewidentnie przyczynia się do

poprawy bezpieczeństwa energetycznego w mikroskali.

Literatura

1. Bednarek K., Electromagnetic compatibility – the standard and legal problems, [w:] Computer applications in

electrical engineering, R. Nawrowski (red.), Poznań 2006, s. 89-105.

2. Bednarek K., Jakość, pewność i właściwa konstrukcja układu zasilania a bezpieczeństwo urządzeń

elektrycznych, „Elektro.info” 2012, nr 12, s. 26-31.

3. Bednarek K., Kompensacja mocy biernej i praca hybrydowa w systemach zasilania gwarantowanego (UPS),

„Academic Journals, Electrical engineering, Poznan Uniwersity of Technology” 2013, nr 74, s. 33-41.

4. 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” 2012,

No 12b, s. 236-239.

5. Bielecki S., Jakość energii elektrycznej na rynku energii, „Przegląd Elektrotechniczny” 2007, nr 7/8, s. 68-72.

6. Charoy A., Compatibilite electromagnetique. Parasites et perturbations des electroniques. 1-4, Paris 1996.

7. Hanzelka Z., Warecki J., Piątek K., Chmielowiec K., Zła jakość energii elektrycznej a zagrożenie pożarowe –

analiza przypadku, [w:] Ochrona przeciwpożarowa w instalacjach elektrycznych, (pr. zb), Warszawa 2012.

8. Pasko M., Lange A., Kompensacja mocy biernej i filtracja wyższych harmonicznych za pomocą filtrów

biernych LC, „Przegląd Elektrotechniczny” 2010, nr 4, s. 126-129.

9. Wiatr J., Miegoń M., Zasilacze UPS oraz baterie akumulatorów w układach zasilania gwarantowanego, seria

Zeszyty dla elektryków - nr 4, Warszawa 2008.

Publikacja: Bezpieczeństwo energetyczne. Rynki surowców i energii – teraźniejszość i przyszłość, tom 2. Technologia – Prawo – Ochrona środowiska, praca zbiorowa pod redakcją P. Kwiatkiewicza, Fundacja na rzecz Czystej Energii, Poznań 2014, s. 85-104.

Nota biograficzna: dr inż. Karol Bednarek

Absolwent Wydziału Elektrycznego Politechniki Poznańskiej. Od 1990 r. pracownik

naukowo-dydaktyczny Instytutu Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej (IEEP)

Politechniki Poznańskiej. W latach 2001-2008 zastępca Dyrektora IEEP. Prowadził i nadal

realizuje prace teoretyczne oraz badawcze w zakresie elektrotechniki, elektroniki

motoryzacyjnej, kompatybilności elektromagnetycznej oraz pomiarów i oddziaływań pól

elektromagnetycznych na urządzenia techniczne i organizmy żywe. Od 2011 r. konsultant

techniczny firmy EVER Sp. z o.o., znanego polskiego producenta systemów zasilania

gwarantowanego, a od stycznia 2013 r. kierownik Działu Wsparcia Technicznego firmy

EVER Sp. z o.o.