Nr 13/10/2001

Prof. dr hab. in¿. Henryk Markiewicz

URZ¥DZENIA I UK£ADYREZERWOWEGO ZASILANIA

ODBIORCÓWENERGII ELEKTRYCZNEJ

1

Prof. dr hab. inż. Henryk MARKIEWICZ

Instytut Energoelektryki

Politechniki Wrocławskiej

URZĄDZENIA I UKŁADYREZERWOWEGO ZASILANIA

ODBIORCÓW ENERGII ELEKTRYCZNEJ

2

3

1. WIADOMOŚCI I WYMAGANIA OGÓLNE

Zasilanie odbiorników elektrycznych zainstalowanych w dowolnym obiekcie

budowlanym powinno dokonywać się w sposób ciągły energią wysokiej jakości, przy czym

skutki przerw i złej jakości energii zależą od rodzaju zainstalowanych odbiorników.

Odbiorniki energii elektrycznej pracują w warunkach zbliżonych do optymalnych,

jeżeli są zasilane napięciem równym znamionowemu lub niewiele różniącym się od tego

napięcia, a inne parametry określające jakość napięcia w tym głównie kształt krzywej

napięcia, symetria napięć w układzie trójfazowym oraz częstotliwość prądu przemiennego

mieszczą się również w przedziałach wartości uznawanych za graniczne dopuszczalne.

Również warunki środowiskowe nie powinny być gorsze od zakładanych przez wytwórcę

urządzenia. Przy umiarkowanych przekroczeniach dopuszczalnych zmian parametrów

napięcia może dochodzić do nie w pełni prawidłowej pracy odbiorników, objawiającej się

obniżoną lub nadmiernie wysoką wydajnością, pracą przy obniżonej sprawności i zwięk-

szonych stratach. Nadmiernie duże odchylenia parametrów napięcia od wartości

znamionowych mogą powodować z kolei błędne działanie oraz przerwy w pracy

odbiorników, powodowane skutecznym działaniem właściwych zabezpieczeń lub znisz-

czeniem odbiorników przy braku takich zabezpieczeń.

Decydujący wpływ na pracę odbiorników ma jakość napięcia na zaciskach

przyłączeniowych odbiorników. Zależy ono od napięcia w złączu, ale również od stanu

technicznego instalacji oraz innych odbiorników zasilanych z tej samej sieci czy instalacji

i zmienia się ze zmianą liczby i obciążenia pracujących odbiorników, w szczególności

odbiorników o nieliniowych charakterystykach napięciowo-prądowych.

Przerwy w zasilaniu oraz niezadowalająca jakość napięcia zasilającego, zależnie od

rodzaju zainstalowanych odbiorników są przyczyną uciążliwości o zróżnicowanej

intensywności dla użytkowników, ale również mogą powodować całkowity chaos

i zagrożenie życia oraz duże straty materialne w budynkach tzw. „inteligentnych”,

w budynkach wysokich oraz użyteczności publicznej (szpitale, duże domy handlowe, banki,

sale widowiskowe itp.) i w obiektach przemysłowych o wysokiej technologii wytwarzania

wyrobów.

Należy stwierdzić, że dość gwałtownie zwiększa się liczba urządzeń (odbiorników)

wymagających dużej pewności zasilania i wysokiej jakości energii, przeważnie o nieli-

niowych charakterystykach napięciowo-prądowych oddziaływujących niekorzystnie na jakość

napięcia w sieci (instalacji), z których są same zasilane.

4

W zależności od negatywnych skutków, jakie mogą być wywołane przerwami

w zasilaniu lub złą jakością energii elektrycznej oraz wynikających stąd wymogów

dotyczących pewności zasilania, różnorodne obiekty mogą być podzielone na cztery kategorie

(tabl. 1). W każdym z obiektów zaliczonych do I i II kategorii mogą występować pojedyncze

odbiorniki lub grupy odbiorników o stosunkowo niewielkich mocach znamionowych

wymagające dużej pewności zasilania, uzasadniające zastosowanie urządzeń zasilania

rezerwowego, w tym również zasilania bezprzerwowego.

Z dokonanego w tablicy 1 zestawienia wynika, że praktycznie we wszystkich

przypadkach zasilanie podstawowe dokonuje się przy wykorzystaniu sieci rozdzielczych

energetyki zawodowej. Inne rozwiązania mogą dotyczyć przypadków braku takich sieci lub

ograniczonego dostępu do nich. Wymóg specjalnego rozwiązania układu zasilania może

dotyczyć przypadków, gdy sieć rozdzielcza energetyki nie zapewnia wymaganych

parametrów napięcia zasilającego.

Występuje natomiast duża różnorodność urządzeń i układów zasilania rezerwowego

(rys. 1). Wybór jednego z nich powinien być dokonany z uwzględnianych danych

znamionowych i właściwości technicznych urządzeń zasilających i odbiorników oraz

warunków technicznych, jakie stawiane są tym urządzeniom.

5

Ta

bli

ca 1

. K

lasy

fik

acj

a o

db

iorc

ów

en

erg

ii e

lek

try

czn

ej z

e w

zglę

du

na

wy

ma

ga

nia

do

tycz

ące

pew

no

ści

zasi

lan

ia

Ka

teg

ori

aW

ym

ag

an

ia d

oty

czą

ce p

ewn

ośc

i

zasi

lan

ia

Sp

osó

b r

eali

zacj

i za

sila

nia

Prz

yk

ład

y o

db

iorc

ów

I

Po

dst

awo

we.

U

szk

od

zen

ia

i p

rzer

wa

w z

asil

aniu

mo

że t

rwać

sto

sun

ko

wo

dłu

go

rzęd

u w

ielu

min

ut.

Jed

ną

lin

ią z

sie

ci r

ozd

ziel

czej

en

erg

ety

ki.

Nie

wy

mag

a si

ę re

zerw

ow

ego

zas

ilan

ia.

Do

my

jed

no

rod

zin

ne.

Do

my

wie

loro

dzi

nn

e n

isk

ie.

II

Po

dw

yżs

zon

e.

Prz

erw

a w

za

sila

niu

po

win

na

by

ć o

gra

nic

zon

a d

o

kil

ku

lu

b

kil

ku

nas

tu s

eku

nd

.

Dw

iem

a n

ieza

leżn

ym

i li

nia

mi

z si

eci

ener

get

yk

i lu

b

jed

ną

lin

ią

i ag

reg

atem

prą

do

twó

rczy

m.

Do

my

wie

loro

dzi

nn

e w

yso

ko

ścio

we

ora

z

wy

sok

ie.

III

Wy

sok

ie. P

rzer

wa

w z

asil

aniu

po

win

na

by

ć o

gra

nic

zon

a d

o ≤

1 s

.

Dw

iem

a n

ieza

leżn

ym

i li

nia

mi

z si

eci

ener

get

yk

i o

raz

urz

ądze

nie

re

zerw

ow

ego

zasi

lan

ia

z au

tom

aty

ką

sam

ocz

yn

neg

o

załą

czan

ia.

Do

my

w

ielo

rod

zin

ne

wy

sok

ie,

du

że

ho

tele

, b

ank

i,

szp

ital

e,

rozg

łośn

ie

RT

V,

lotn

isk

a, b

ud

yn

ki

adm

inis

trac

ji c

entr

aln

ej

itp

.

IV

Bar

dzo

w

yso

kie

(z

asil

anie

b

ezp

rzer

-

wo

we)

.

Nie

do

pu

szcz

a si

ę p

rzer

wy

w z

asil

aniu

wy

bra

ny

ch o

db

iorn

ikó

w.

Jak

w

yże

j le

cz

jed

no

z

urz

ądze

ń

reze

rwo

weg

o

zasi

lan

ia,

wir

ują

ce

lub

stat

ycz

ne,

p

ow

inn

o

zap

ewn

iać

bez

prz

er-

wo

we

zasi

lan

ie o

db

iorn

ikó

w.

Cał

e b

ud

yn

ki

lub

wy

dzi

elo

ne

od

dzi

ały

i ze

spo

ły u

rząd

zeń

o s

zcze

gó

lnie

waż

ny

m

prz

ezn

acze

niu

w b

ud

yn

kac

h z

alic

zan

ych

do

kat

ego

rii

III.

6

Rys. 1. Urządzenia rezerwowego zasilania

Warunki te to przewidywany rodzaj pracy urządzeń (praca ciągła, dorywcza lub inna)

oraz wymagania dotyczące jakości energii, głównie stałości wartości skutecznej napięcia,

częstotliwości oraz zawartości wyższych harmonicznych w napięciu zasilającym. Wymagania

te są natomiast bardzo zróżnicowane, od umiarkowanych po bardzo duże, przy których

bezpośrednie zasilanie z sieci rozdzielczej energetyki może okazać się niemożliwe ze

względu na niezadowalającą jakość energii.

Przykłady zasilania obiektów wymagających bardzo dużej pewności zasilania

przedstawiono na rysunkach 2 i 3.

Rysunek 2 przedstawia sposób zasilania budynku zrealizowany przez zastosowanie

dwóch niezależnych linii sieci rozdzielczej, wyposażonych w automatykę samoczynnego

załączania rezerwy (SZR), przełączającej zasilanie na rezerwowe w przypadku zaniku lub

dużego obniżenia się napięcia w linii zasilania podstawowego. Jest tu ponadto agregat

prądotwórczy spalinowy, również z automatyką SZR, włączający się samoczynnie

w przypadku braku napięcia w obydwu liniach zasilających. Jeżeli wymaga się, aby

włączenie agregatu i przejęcie przez niego obciążenia zbliżonego do znamionowego dokonało

się w czasie pojedynczych sekund, to agregat powinien pozostawać stale w stanie dużej

gotowości ruchowej, co zapewnia się między innymi przez ciągłe podgrzewanie zespołu

napędowego. W innym przypadku agregat, pomimo zastosowanej automatyki samoczynnego

załączania, może przejąć znaczącą część obciążenia dopiero po czasie 30 i więcej sekund.

Urządzenia odbiorcze wymagające bezprzerwowego zasilania lub zasilania napięciem bardzo

wysokiej jakości są zasilane przez zasilacze statyczne (UPS).

7

Podobny co do zasady działania jak i możliwości technicznych, lecz bez agregatu

prądotwórczego, jest układ przedstawiony na rysunku 3.

Rys. 2. Układ zasilania obiektu wymagającego bardzo dużej pewności zasilania

Rys. 3. Przykład zasilania odbiorników wymagających dużej pewności zasilania z dopuszczalnym czasem

przerwy ≤ 0,5 s: 1,2 – linie sieci rozdzielczych prądu przemiennego, 3 – urządzenie przełączające

(SPZ), 4 - przetwornik, 5 – transformator.

8

2. ZASADY DZIAŁANIA, ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNE ORAZ WŁAŚCIWOŚCI

TECHNICZNE NIEKTÓRYCH URZĄDZEŃ REZERWOWEGO ZASILANIA

Właściwości oraz warunki techniczne, jakim powinny odpowiadać urządzenia

rezerwowego zasilania, głównie w odniesieniu do pożądanego czasu gotowości do przejęcia

obciążenia bliskiego znamionowemu oraz przewidywanego czasu pracy tych urządzeń są

bardzo zróżnicowane. Powoduje to, że wytwarzane są obecnie bardzo różne urządzenia o tym

przeznaczeniu, zarówno co do zasady działania, właściwości technicznych oraz danych

znamionowych. Można wyróżnić następujące urządzenia rezerwowego zasilania (rys. 1):

- agregaty prądotwórcze z elementami wirującymi,

- baterie akumulatorów,

- zasilacze statyczne z bateriami akumulatorów oraz przetwornikami energo-

elektronicznymi (UPS).

Agregat prądotwórczy z elementami wirującymi składa się przeważnie z jednego

lub kilku silników spalinowych jako źródła energii mechanicznej, generatora

przetwarzającego energię mechaniczną na elektryczną, urządzeń rozruchowych, sterowania

i regulacji oraz rozdzielnicy z łącznikami elektroenergetycznymi.

W określonych warunkach przemysłowych do napędu prądnicy może być

zastosowana turbina.

Takie agregaty są przystosowane do pracy ciągłej lub długotrwałej i mogą stanowić

samodzielne źródło zasilania urządzeń, które nie mogą być zasilane w inny sposób, na

przykład na placach budów, statkach, albo być rezerwowym źródłem zasilania różnorodnych

obiektów zasilanych z sieci rozdzielczej energetyki, w przypadku dowolnej niesprawności

zasilania podstawowego.

Do pracy w ograniczonym czasie zasilanie prądnicy może być dokonane z baterii

akumulatorów przy współpracy z silnikiem elektrycznym prądu stałego.

Agregaty prądotwórcze mogą być załączane do pracy w sposób ręczny lub

automatyczny z możliwością bardzo szybkiego, a nawet natychmiastowego przejęcia

obciążenia zbliżonego do znamionowego (rys. 4 i 5).

Agregaty przystosowane do bardzo szybkiego lub natychmiastowego załączania są

wyposażone m.in. w koło zamachowe o dużej masie. Energia kinetyczna zawarta

w wirującym kole zamachowym, w pierwszej chwili po zaniku napięcia powoduje rozruch

odpowiednio przygotowanego silnika spalinowego oraz wspomaga jego pracę napędzając

generator, przez co zarówno napięcie jak i częstotliwość pozostają w przedziale

dopuszczalnych wartości odchyleń od wartości znamionowych. W normalnych warunkach

pracy, silnik elektryczny stale napędza koło zamachowe dostarczając energię na pokrycie strat

części wirujących.

9

Rys. 4. Różne wyposażenie, sposoby rozruchu i połączeń elektrycznych agregatów prądotwórczych jako

urządzeń rezerwowego zasilania: a) załączenie i wyłączenie agregatu dokonuje się w sposób

ręczny, b) automatyczny rozruch agregatu i przełączenia z czasem 6 – 15 s, c) automatyczny

rozruch i przełączenia z czasem 0,5 – 2 s, d) zasilanie bezprzerwowe: 1 – sieć zasilająca, 2 –

silnik spalinowy z rozrusznikiem, 3 – sprzęgło, 4 – generator, 5 – szafa z urządzeniami

automatyki rozruchu silnika i załączania agregatu, 6 – koło zamachowe, 7 – silnik napędu

generatora.

W układzie jak na rys. 4c silnik elektryczny o stosunkowo niewielkiej mocy

znamionowej stale napędza nieobciążony generator oraz koło zamachowe. Przy dowolnych

zakłóceniach powodujących wyłączenie sieci zasilającej silnik elektryczny koło zamachowe

poprzez sprzęgło elektromagnetyczne powoduje rozruch silnika spalinowego, który przejmuje

napęd generatora. Rozruch silnika i przejście przez generator obciążenia dokonuje się

automatycznie w czasie 0,5-2 s.

10

Z kolei układ przedstawiony na rys. 4d zapewnia w pełni bezprzerwowe zasilanie

odbiorników. Są one bowiem, w warunkach pracy normalnej zasilane nie z sieci rozdzielczej

lecz z generatora napędzanego przez silnik elektryczny o odpowiednio dużej mocy

znamionowej, zasilany z sieci rozdzielczej energetyki. Przy niesprawności sieci powodującej

jej wyłączenie i utratą zasilania przez silnik elektryczny koło zamachowe podtrzymuje napęd

generatora i jednocześnie poprzez sprzęgło powoduje uruchomienie silnika spalinowego,

który przejmuje napęd generatora. Dokonuje się to wszystko bez przerwy w zasilaniu

odbiorników.

Rys. 5. Niektóre różnice dotyczące rozwiązań konstrukcyjnych agregatów prądotwórczych jako

urządzeń bezprzerwowego zasilania: 1 – silnik spalinowy, 2 – sprzęgło, 3 – koło zamachowe, 4 –

silnik napędu generatora i koła zamachowego.

Ze względu na głośną pracę silników spalinowych oraz konieczność stosowania

rozbudowanych fundamentów agregaty prądotwórcze o dużych mocach znamionowych

instaluje się przeważnie w wydzielonych budynkach lub pomieszczeniach, w pewnym

oddaleniu od budynków i pomieszczeń, w których stale przebywają ludzie.

Inne wersje urządzeń rezerwowego zasilania z elementami wirującymi oraz bateriami

akumulatorów i przekształtnikami energoelektronicznymi przedstawiono na rys. 6. Zapewnia

się przez to zasilanie odbiorników z zachowaniem dopuszczalnych odchyleń napięcia

i częstotliwości od wartości znamionowych nawet do kilkudziesięciu minut.

11

Rys. 6. Agregaty prądotwórcze bezprzerwowego zasilania o zasilaniu elektrycznym: 1 – silnik, 2 – koło

zamachowe, 3 – generator, 4 – wyłącznik, 5 – łącznik statyczny, 6 – łącznik ręczny obejściowy.

Do zasilania wybranych odbiorników wymagających szczególnie dużej pewności

zasilania (oświetlenie bezpieczeństwa, ewakuacyjne, obwody sterowania i automatyki,

teletechnika i in.), stosuje się baterie akumulatorów, które mogą stanowić zasilanie

podstawowe lub rezerwowe tych urządzeń. Jeżeli w grupie zasilanych urządzeń są również

odbiorniki prądu przemiennego, to do ich zasilania konieczne jest zastosowanie falowników,

zasilanych z prostowników lub z baterii akumulatorów.

Jednym ze sposobów zasilania odbiorników prądu stałego w normalnych warunkach

pracy jest zasilanie ich z sieci prądu przemiennego poprzez urządzenia prostownikowe

(rys. 7a). Przełączenie na zasilanie bateryjne dokonuje się, z krótką przerwą na przełączenie,

w warunkach braku napięcia prądu przemiennego lub niedopuszczalnego pogorszenia się jego

jakości i trwa aż do momentu ponownego pojawienia się napięcia zasilania podstawowego.

Powinno to trwać krócej od czasu dopuszczalnego, przy którym dochodzi do całkowitego

rozładowania baterii.

Urządzenie zasilające jest wyposażone w dwa prostowniki o różnych prądach

znamionowych, z których jeden jest przeznaczony do zasilania odbiorników w normalnych

warunkach pracy, a drugi do ładowania baterii akumulatorów.

Przy pracy równoległej odbiorniki są połączone bezpośrednio z baterią akumulatorów i

prostownikiem (rys. 7b), które łącznie zasilają odbiorniki. Przy braku zasilania z prostownika

całkowite obciążenie przejmuje w sposób bezprzerwowy baterie akumulatorów.

12

Rys. 7. Różne sposoby zasilania odbiorników prądu stałego: a) układ z krótką przerwą związaną z

przełączeniem zasilania z sieciowego na bateryjne lub odwrotnie, b) zasilanie bezprzerwowe

(równoległe).

Urządzenia prostownikowe, w zależności od mocy znamionowej, mogą być

w wykonaniu jedno lub trójfazowym (rys. 8).

Przy takim zasilaniu prąd znamionowy prostownika powinien być co najmniej równy

sumie prądów obciążenia odbiorników i prądu ładowania baterii całkowicie rozładowanej

o natężeniu, zapewniającym ponowne jej naładowanie do pojemności znamionowej

w założonym czasie. Ten czas z reguły nie powinien przekraczać 6 godzin.

Rozpowszechnione są dwa podstawowe rodzaje akumulatorów: ołowiowe (Pb) oraz

niklowo-kadmowe (Ni-Cd). Akumulatory Ni-Cd, w porównaniu z ołowiowymi

charakteryzują się następującymi pozytywnymi właściwościami:

- wyższą niezawodnością,

- dłuższym okresem użytkowania,

- mniejszymi wymiarami,

- niższymi kosztami i wymaganiami dotyczącymi obsługi,

- mniejszym obniżeniem się pojemności w niskich temperaturach,

- możliwością szybszego naładowania po rozładowaniu,

- większą trwałością mechaniczną i elektryczną,

- możliwością długotrwałego składowania bez uszkodzenia,

- większą odpornością na przeciążenia,

- małą energią (prądem) samorozładowania,

- większą liczbą dopuszczalnych cykli ładowania i rozładowania do uszkodzenia.

b)a)

13

Gorsze właściwości akumulatorów Ni-Cd w porównaniu z ołowiowymi to głównie:

- wyższa cena,

- niższy współczynnik sprawności,

- niższe napięcie pojedynczego ogniwa akumulatora (1,2 V),

- większa różnica napięć w stanie naładowania i rozładowania akumulatora.

Stacjonarne baterie akumulatorów, szczególnie o dużej pojemności, to przeważnie

baterie ołowiowe.

Rys. 8. Prostowniki tyrystorowe: a) jednofazowy, b) trójfazowy: 1 – urządzenie regulacji i sterowania.

14

Zasilanie statyczne (UPS - Uninterruptable Power Supply) należą obecnie do

najbardziej rozpowszechnionych urządzeń zapewniających bezprzerwowe zasilanie

odbiorników oraz poprawę jakości napięcia (rys. 9 i 10).

Rys. 9. Zasilacz (przekształtnik) statyczny o podwójnej konwersji energii: 1 – prostownik, 2 – falownik,

3 – łącznik statyczny obejściowy, 4 – bateria akumulatorów, 5 – elementy wygładzające napięcie

wyprostowane, 6 – ręczny łącznik obejściowy.

Rys.10. Wielokreskowy schemat połączeń zasilacza statycznego (urządzenia bezprzerwowego zasilania –

UPS): 1 – prostownik, 2 – falownik, 3 – łącznik statyczny.

15

Zasilacze elektroniczne mogą pracować jako urządzenia typu „stand by” oraz „on

line”. Przy pracy w trybie „stand by” przełączenie na rezerwowe zasilanie (z baterii

akumulatorów) dokonuje się z krótką przerwą. Przy pracy „on line” niesprawność sieci

rozdzielczej prądu przemiennego nie powoduje nawet krótkotrwałej przerwy w zasilaniu

odbiorników, bowiem podstawowym źródłem zasilania jest UPS, a sieć prądu przemiennego

służy „jedynie” do zasilania baterii akumulatorów. Przy pracy w trybie „on line” przerwa

w zasilaniu może zaistnieć tylko wtedy, gdy ulegnie uszkodzeniu samo urządzenie UPS lub

jeden z podstawowych jego elementów w stopniu ograniczającym jego moc lub całkowitą

niesprawność urządzenia, przy jednoczesnym uszkodzeniu i braku napięcia w sieci

rozdzielczej prądu przemiennego.

Baterie akumulatorów do zasilania urządzeń UPS powinny być dobrane, przeciętnie

z uwzględnieniem wymogu 3 godzinnej pracy urządzenia. Ponowne pełne naładowanie

powinno się dokonać po 6 godzinach ładowania, po którym baterie powinny być zdolne do

kolejnej 3 godzinnej pracy przy obciążeniu znamionowym.

Rozpowszechnione są urządzenia UPS o pojedynczej i podwójnej konwersji energii.

Przy pojedynczej konwersji (rys. 11) urządzenie nie ma oddzielnego prostownika. Zastępuje

go „czteroćwiartkowy” falownik, z możliwością przekazywania energii w dowolnym

kierunku.

Rys. 11. Schemat blokowy UPS-u o pojedynczej konwersji energii.

16

W urządzeniu stosuje się dwie pętle regulacji. Pierwsza (1) kontroluje napięcie

wyjściowe i porównuje z sinusoidalnym napięciem odniesienia, a układ regulacji powoduje,

że napięcie wyjściowe ma wartość praktycznie stałą o częstotliwości zsynchronizowanej

z napięciem sieci zasilającej urządzenie. Druga pętla (2) kontroluje napięcie i proces

ładowania baterii akumulatorów.

Przy pracy normalnej włączona jest gałąź A, a dławik ma za zadanie kompensować

stany nieustalone oraz różnice napięć pomiędzy napięciem zasilającym urządzenie

a napięciem wyjściowym falownika. Zasilanie odbiorników dokonuje się z sieci rozdzielczej

prądu przemiennego.

Przy braku napięcia w sieci prądu przemiennego, lub gdy parametry napięcia zasilającego

nie mieszczą się w przedziale dopuszczalnych wartości odchyleń od wartości znamionowych,

następuje wyłączenie przełącznika statycznego w gałęzi A oraz bezprzerwowe przejęcie zasilania

odbiorników przez baterię akumulatorów oraz falownik. Przy powrocie napięcia w sieci

zasilającej i ustabilizowanie się tego napięcia falownik synchronizuje się z napięciem sieci,

a przełącznik statyczny w gałęzi A zostaje ponownie włączony.

W czasie normalnej pracy falownik jest cały czas załączony, nadzoruje i stabilizuje

napięcie wyjściowe oraz pełni funkcję prostownika ładowania baterii, chociaż większość

energii przepływa bezpośrednio z sieci.

Urządzenia bezprzerwowego zasilania o podwójnej konwersji składają się

z prostownika, baterii akumulatorów, falownika oraz łączników (rys. 9). W czasie normalnej

pracy prostownik zasila falownik oraz baterię akumulatorów. W czasie niesprawności sieci

prądu przemiennego energia do odbiorników jest dostarczana z baterii. Przejście zasilania

z sieciowego na bateryjne oraz odwrotnie dokonuje się bez przerw w zasilaniu odbiorników.

Jedną z wyróżniających się konstrukcji zasilaczy statycznych o podwójnej konwersji

jest urządzenie typu DELTA. W porównaniu z innymi urządzeniami zapewnia ono większą

sprawność uzyskaną przez obniżenie strat transformacji, wysoką jakość energii przez

utrzymanie w każdych warunkach stałej wartości napięcia wyjściowego oraz istotne

obniżenie zawartości wyższych harmonicznych w prądzie przemiennym.

Urządzenie jest wyposażone m.in. w dwa falowniki przyłączone do jednej baterii

akumulatorów (rys. 12). Falownik pierwszy typu delta (1) ma moc znamionową równą 0,2

mocy znamionowej urządzenia i jest on połączony z transformatorem włączonym szeregowo

pomiędzy przewody sieci zasilającej i wyjście UPS-u. Falownik typu delta jest źródłem

napięcia różnicowego, jakie pojawia się w uzwojeniu pierwotnym transformatora,

niwelującego różnicę napięć pomiędzy pożądanym napięciem wyjściowym i napięciem sieci,

koryguje współczynnik mocy utrzymując go o wartości bliskiej jedności oraz powoduje, że

prąd pobierany z sieci jest sinusoidalny i praktycznie zgodny z napięciem sieci.

17

Rys. 12. Urządzenie bezprzerwowego zasilania typu Delta: a) praca urządzenia przy zasilaniu napięciem

znamionowym, b) zasilanie napięciem niższym od znamionowego, c) zasilanie napięciem

wyższym od znamionowego, d) praca urządzenia podczas ładowania baterii akumulatorów.

18

Falownik główny (2) ma moc znamionową równą mocy znamionowej zasilacza (UPS).

W normalnych warunkach pracy, gdy napięcie sieci zasilającej jest równe napięciu

wyjściowemu zasilacza, a obciążenie jest rezystancyjne, napięcie na uzwojeniu pierwotnym

transformatora szeregowego jest równe zeru. Falownik delta oraz główny nie są obciążane,

a całkowita moc przepływa bezpośrednio z sieci do odbiorników (rys. 12a). Przy obciążeniu

reaktancyjnym oraz prądach odkształconych występuje działanie falowników polegające na

korekcie współczynnika mocy oraz odfiltrowaniu wyższych harmonicznych.

Jeżeli napięcie sieci zasilającej jest niższe od znamionowego (rys. 12b) to urządzenie

(zasilacz) pobiera z sieci odpowiednio większy prąd, a przez to również większą moc, które

poprzez falownik główny oraz delta powodują wygenerowanie w transformatorze

szeregowym pewnego napięcia, które dodane do napięcia sieci skutkuje tym, że napięcie

wyjściowe na zasilaczu jest równe znamionowemu.

Jeśli natomiast napięcie sieci jest wyższe od znamionowego to z kolei z sieci jest

pobierany odpowiednio mniejszy prąd, a na zaciskach pierwotnych transformatora pojawia się

napięcie skierowane przeciwnie do napięcia sieci, przez co napięcie wyjściowe na zaciskach

zasilacza jest również równe znamionowemu (rys. 12c).

W normalnych warunkach pracy, przy dowolnym napięciu sieci zasilającej ma miejsce

ciągłe doładowywanie baterii prądem konserwującym lub ładowanie baterii po jej

wcześniejszym użytkowaniu i rozładowaniu. W takich przypadkach prąd pobierany z sieci

przez urządzenie jest większy od prądu pobieranego przez odbiorniki o prąd ładowania

baterii. Nadmiar prądu i mocy jest pobierany przez falownik główny i kierowany do

ładowania baterii akumulatorów. Ładowanie i doładowywanie baterii akumulatorów ma

zresztą miejsce przy zasilaczach statycznych dowolnej konstrukcji.

Przepływ energii przez poszczególne elementy statycznych urządzeń bezprzerwowego

zasilania zależy od rodzaju urządzenia, warunków pracy, a głównie od tego czy zasilacze są

urządzeniami podstawowego czy też rezerwowego zasilania oraz od tego czy dopuszcza się

krótkotrwałą przerwę w zasilaniu odbiorników w trakcie zmiany zasilania z sieciowego na

bateryjne i odwrotnie, czy też wymagane jest w pełni zasilanie bezprzerwowe.

Przy zaniku napięcia w sieci zasilającej (rys. 13a) moc wyjściowa do odbiorników

dostarczana jest z baterii akumulatorów po odpowiednim jej przekształceniu w falowniku.

Przy dużym lub długotrwałym umiarkowanym przeciążeniu przekształtnika przełącznik

statyczny powoduje bezprzerwowe przełączenie zasilania odbiorników na sieć (rys. 13b).

Falowniki nie biorą wtedy udziału w zasilaniu odbiorników. Gdy przeciążenie ustąpi, po

obniżeniu się temperatury urządzeń do wartości dopuszczalnej, falowniki zostają ponownie

uruchomione i UPS powraca do normalnej pracy. Dopuszcza się 50 procentowe przeciążenie

zasilacza przez czas około 30 sekund.

19

W przypadku konieczności dokonania konserwacji UPS-u lub innych prac

serwisowych należy załączyć ręczny wyłącznik obejściowy i wyłączyć UPS (rys. 13c).

Rys. 13. Szkice przedstawiające przepływ energii elektrycznej przez poszczególne elementy urządzenia

UPS-u w różnych warunkach pracy: a) zasilanie z baterii akumulatorów, b) podczas

przeciążenia, c) podczas konserwacji urządzenia.

Układy zasilania realizowane za pomocą zasilaczy statycznych wykonuje się przy

zastosowaniu pojedynczych urządzeń lub kilku urządzeń pracujących równolegle

(rys. 14). Uzyskuje się przez to większą moc układu oraz zwiększa niezawodność zasilania.

Należy dobrać (n + k) urządzeń UPS, przy czym n to liczba urządzeń spełniająca wymagania

wynikające z obliczeniowej mocy szczytowej zasilanych odbiorników, natomiast k to liczba

urządzeń rezerwowych. W rozwiązaniach praktycznych zastosowanie (n + 1) urządzeń

zasilających zapewnia z reguły zadowalająco dużą niezawodność zasilania.

20

Przy uszkodzeniu dowolnego z urządzeń zasilających zostaje ono samoczynnie

wyłączone, a pozostałe (n + k - 1) urządzeń UPS przejmuje obciążenie bez żadnej przerwy

w zasilaniu.

Statyczne zasilacze (UPS) o mocy znamionowej od 0,2 do 30 kVA wykonuje się jako

jednofazowe, natomiast o mocy od 10 do 4000 kVA jako trójfazowe.

Rys. 14. Układy połączeń elektronicznych urządzeń bezprzerwowego zasilania (UPS-ów) przy pracy

równoległej.

21

3. WNIOSKI

Już obecnie występuje duża liczba odbiorników i różnorodnych innych urządzeń

elektrycznych wymagających dużej, lub bardzo dużej pewności zasilania, a nawet zasilania

bezprzerwowego. Udział takich urządzeń w ogólnej liczbie zainstalowanych urządzeń stale

i intensywnie się zwiększa. Zasilanie ich jedną, a nawet dwiema niezależnymi liniami sieci

rozdzielczej energetyki jest lub może być niezadowalające. Wymagane jest wtedy

zainstalowanie dodatkowych urządzeń rezerwowego zasilania, zwiększających niezawodność,

a często również poprawiających jakość dostarczanej energii.

Z kolei przemysł maszynowy i elektrotechniczny oferują odbiorcom cały szereg takich

urządzeń, będących w stanie spełnić nawet najbardziej rygorystyczne wymagania dotyczące

pewności zasilania. Urządzenia te to głównie agregaty prądotwórcze z silnikami

spalinowymi oraz elektroniczne urządzenia bezprzerwowego zasilania

(„UPS-y”), zyskujące obecnie coraz większe rozpowszechnienie. Wybór konkretnego

urządzenia lub zespołu urządzeń poprawiających niezawodność zasilania i jakość energii lub

zapewniających bezprzerwowe zasilanie powinien być dokonany każdorazowo indywidualnie

z uwzględnieniem występujących uwarunkowań technicznych oraz ograniczeń

środowiskowych.

22

4. LITERATURA

1. Barlik R., Nowak M.: Poradnik inżyniera energoelektronika. Warszawa, WNT 1998.

2. Jaszhel P.: Nowoczesne instalacje elektryczne. Praca dyplomowa. Politechnika

Wrocławska, 1999.

3. Schaltanlagen. ABB - Taschenbuch. Düsseldorf, Cornelsen Verlag 1999.

4. Seip G.: Elektrische Installationstechnik. T1. Berlin-München,

Siemens-Aktiengesellschaft 1993.