Przemysław Lisowski, Charakterystyka właściwości zasilaczy UPS małej mocySesja: Kształcenie w dziedzinie elektroniki i telekomunikacji.Politechnika Poznańska

Pełen tekst

(1)www.pwt.et.put.poznan.pl. Przemysław Lisowski Politechnika Poznańska Instytut Elektroniki i Telekomunikacji ul. Piotrowo 3A, 60-965 POZNAŃ lisowski@ups.hg.pl. 2005. Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne Poznań 8 - 9 grudnia 2005. CHARAKTERYSTYKA WŁAŚCIWOŚCI ZASILACZY UPS MAŁEJ MOCY Streszczenie: W artykule scharakteryzowano właściwości zasilaczy UPS małej mocy. Przeanalizowano przyczyny występowania zaburzeń prądu i napięcia na wejściu, wewnątrz i na wyjściu zasilacza. Zaproponowano układ pomiarowy do obserwacji wspomnianych zaburzeń. Określono czynniki wpływające na obniżenie sprawności zasilacza UPS i skrócenie żywotności jego akumulatorów. Zaproponowano działania zmierzające do minimalizacji zaburzeń i wydłużenia czasu eksploatacji akumulatorów w zasilaczu UPS oraz zwiększania jego sprawności.. 1. WSTĘP Komputeryzacja wszelkich obszarów działalności człowieka począwszy od planowania, projektowania poprzez produkcję, handel, a skończywszy na różnorakich usługach spowodowała powszechne stosowanie awaryjnych systemów zasilania, gwarantujących ciągłość wspomnianych procesów. Niezbędnymi elementami awaryjnego systemu zasilania zapewniającego bezprzerwowość w dostawie energii elektrycznej są zasilacze UPS zwane zasilaczami awaryjnymi. Wykorzystuje się centralne i rozproszone systemy zasilania awaryjnego (bezprzerwowego) [1]. W dynamicznie rozwijających się organizacjach o bliżej nieokreślonej strukturze docelowej szczególnie korzystne jest stosowanie rozproszonego systemu zasilania bezprzerwowego. Rozproszony system zasilania awaryjnego charakteryzuje się tym, że każdy odbiornik wyposażany jest w dedykowany zasilacz awaryjny przeznaczony do jego ochrony. Odpowiedni schemat instalacji przedstawiono na rysunku 1.. W przedstawionym systemie wykorzystuje się najczęściej zasilacze UPS małej mocy „line interactive” [2] z sinusoidalnym lub quasi-sinusoidalnym przebiegiem na wyjściu w autonomicznym stanie pracy tj. pracy z wykorzystaniem energii elektrycznej zgromadzonej w wewnętrznych akumulatorach zasilacza. W artykule omówiono pożądane cechy zasilacza UPS „line interactive” oraz przyczyny występowania zaburzeń na wejściu, wewnątrz i na wyjściu zasilacza awaryjnego. Przeanalizowano wyłącznie zaburzenia wywoływane przez chroniony odbiornik oraz sam zasilacz UPS, pominięto zaburzenia pochodzące od sieci zasilającej, ochrona przed którymi jest głównym zadaniem zasilacza awaryjnego. Zaproponowano układ pomiarowy do obserwacji tych zaburzeń. Określono czynniki wpływające na obniżenie sprawności zasilacza UPS w autonomicznym stanie pracy oraz czynniki skracające żywotność akumulatorów. Zaproponowano działania zmierzające do zminimalizowania przepięć i przetężeń na wejściu, wewnątrz i na wyjściu zasilacza UPS oraz określono działania zmierzające do podniesienia sprawności zasilacza awaryjnego i wydłużenia żywotności jego akumulatorów. Opisu właściwości zasilaczy awaryjnych „line interactive” małej mocy, określenia przyczyn zaburzeń, sposobu ich pomiaru i propozycji przeciwdziałania ich występowaniu dokonano na podstawie wieloletnich doświadczeń autora związanych z projektowaniem wymienionych zasilaczy.. Rys 1. Rozproszony system zasilania awaryjnego. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. 1/5.

(2) www.pwt.et.put.poznan.pl. 2. POŻĄDANE CECHY ZASILACZA AWARYJNEGO Zasilacz UPS odpowiedzialny jest za bezprzerwowe zasilanie odbiornika. Z tego punktu widzenia, istotna jest jego odporność na przetężenia i przepięcia mogące wystąpić na jego wejściu, w wewnętrznych obwodach transferu energii oraz na jego wyjściu. Istotna jest również jego sprawność w szczególności w autonomicznym stanie pracy oraz długa żywotność zastosowanych akumulatorów. Na rysunku 2 przedstawiono tor transferu energii zasilacza UPS „line interactive” eksponując elementy mające zasadniczy wpływ na właściwości zasilacza. 1. 2. 3. 4 układy kontrolno pomiarowe. 5. (1) - filtr wejściowy (2) - rozłącznik główny (3) - filtr wyjściowy (4) - transformator główny (5) - stopień mocy falownika (6) - akumulator. 6 - kierunek transferu energii w podstawowym stanie pracy - kierunek transferu energii w autonomicznym stanie pracy - kierunek sygnałów kontrolno -pomiarowych. Rys 2. Schemat blokowy zasilacza UPS „line interactive” Podczas pracy zasilacza „line interactive” w stanie podstawowym jedyną ochronę, zabezpieczanego odbiornika oraz układów pomiarowego i ładowania akumulatora zasilacza UPS, stanowi filtr wejściowy (1). Pożądana jest więc jego duża zdolność do tłumienia zakłóceń radiowych oraz przepięć impulsowych standardowo nie wykrywanych przez układ pomiarowy. Po wykryciu awarii zasilania (tj. przepięcia, spadku lub zaniku napięcia) wymagana jest szybka reakcja rozłącznika głównego (2), który odłącza chroniony odbiornik i uruchamiany falownik zasilacza awaryjnego od wadliwego źródła zasilania. Ważne jest, aby stany przejściowe związane z włączaniem falownika (tj. przetężenia i przepięcia w układach: transformatora głównego (4), stopnia mocy falownika (5) i akumulatora (6)) trwały krótko i nie przenosiły się na wyjście zasilacza UPS. Ponadto, w podstawowym stanie pracy, korzystna jest wysoka sprawność układu ładowania akumulatorów i liniowy charakter obciążenia sieci zasilającej. W autonomicznym stanie pracy pożądana jest duża skuteczność biernego filtru wyjściowego (3) oraz filtru aktywnego realizowanego w stopniu mocy falownika (5), uzyskiwanego poprzez odpowiednie jego sterowanie. Ważna jest również minimalizacja strat energii (zgromadzonej w akumulatorze o ograniczonej pojemności) w obwodach pracującego falownika. 3. PRZYCZYNY ZABURZEŃ Poniżej omówiono przyczyny zaburzeń napięcia i prądu na wejściu, wewnątrz i na wyjściu zasilacza UPS. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. wywołane wyłącznie przez chroniony odbiornik oraz sam zasilacz awaryjny. W podstawowym stanie pracy zasilacza UPS może pojawić się na jego wejściu przetężenie spowodowane prądem włączenia chronionego odbiornika podczas jego załączania. Pojawiające się przetężenie może spowodować również spadek napięcia na wejściu zasilacza UPS w przypadku wysoko impedancyjnego doprowadzenia zasilania. Podobne efekty, spowodowane prądem włączenia transformatora głównego (4) (rys. 2.), mogą być obserwowane na wejściu zasilacza awaryjnego podczas jego załączenia. Skutkiem obserwowanych efektów może być przejście zasilacza UPS w stan pracy autonomicznej. Przejściu zasilacza w stan pracy autonomicznej towarzyszy opóźniona reakcja rozłącznika głównego na detekcję awarii zasilania. Wymusza to konieczność opóźnionego startu falownika i pociąga za sobą pojawienie się ponownie prądu włączenia transformatora głównego i związanego z nim przetężenia w obwodach wewnętrznych zasilacza UPS. Możliwa jest próba podtrzymania prądu transformatora głównego, w przypadku szybkiej detekcji awarii zasilania, poprzez natychmiastowe uruchomienie falownika przed rozłączeniem rozłącznika głównego, jednak spowoduje to pracę zasilacza awaryjnego na zwarte wejście, jakie jest z reguły widziane podczas zaniku napięcia zasilania. Skutkiem takiej reakcji będzie przetężenie w obwodach wewnętrznych zasilacza oraz obniżone napięcie na wyjściu zasilacza UPS. W tym przypadku w następstwie opóźnionej reakcji rozłącznika głównego może pojawić się przepięcie na wyjściu zasilacza awaryjnego, który odłączane wejście zauważy jako odciążenie wyjścia. Podczas pracy zasilacza w stanie autonomicznym mogą pojawić się spadki napięcia na jego wyjściu na skutek dołączania dodatkowego obciążenia. Spowodowane jest to skokowym wzrostem prądu obciążenia zasilacza przy stosunkowo dużej dynamicznej impedancji wyjściowej zasilacza UPS, która nie ujawnia się w stałych warunkach obciążenia. Te same powody mogą być przyczyną przepięć na wyjściu zasilacza UPS spowodowanych wyłączeniem jednego z odbiorników podczas pracy w stanie autonomicznym. Wzrost rezystancji akumulatora może być również powodem niestabilności napięcia wyjściowego podczas pracy autonomicznej zasilacza UPS. Powrót zasilacza z autonomicznego do podstawowego stanu pracy może być przyczyną przetężeń w obwodach wewnętrznych zasilacza UPS. Techniki minimalizacji czasu powrotu prowadzą do nakładanie się przebiegu napięcia zasilającego z przebiegiem napięcia generowanym przez zasilacz UPS. Przesunięcie fazy i różnica amplitudy między przebiegiem sieciowym i z zasilacza UPS są przyczyną wspomnianych przetężeń. Pojawienie się przetężeń w obwodach wewnętrznych zasilacza może wystąpić podczas „zimnego startu” tj. załączania zasilacza awaryjnego przy braku napięcia w sieci zasilającej. Przetężenia są spowodowane prądem włączenia transformatora głównego oraz chronionego odbiornika.. 2/5.

(3) www.pwt.et.put.poznan.pl. Na rysunku 3 zaproponowano stanowisko pomiarowe do obserwacji zaburzeń prądowych i napięciowych pojawiających się na wejściu, w obwodach wewnętrznych i na wyjściu zasilacza UPS. W układzie przewidziano pomiar napięć, prądów i mocy na wejściu i wyjściu zasilacza awaryjnego oraz pomiar napięcia akumulatora i temperatury wybranych elementów zasilacza. Przewidziano możliwość gromadzenia danych z pomiarów i obserwacji przy pomocy komputera pomiarowego. Przewidziano również analizę zawartości harmonicznych napięcia i prądu w obserwowanych na oscyloskopie przebiegach okresowych wykorzystując odpowiednie oprogramowanie uruchamiane na komputerze pomiarowym i przeznaczone do analizy obserwowanych lub zapamiętanych przebiegów. Na wejściu stanowiska pomiarowego umieszczono regulowany symulator zaniku napięcia (9) generujący zanik napięcia w dowolnej chwili półokresu przebiegu napięcia sieciowego. Wstępna rezystancja obciążenia wejścia (1) mierzonego zasilacza awaryjnego (11) pozwala symulować zaniki napięcia w gałęziach obciążonych. Wyłącznik (8) pozwala załączać lub odłączać wspomniane obciążenie. W przypadku rozwarcia wyłącznika (8) zanik napięcia generowany przez symulator (9) imituje rozwarcie obwodu zasilania. Multimetr (2) przy pomocy interfejsu (10) umożliwia pomiar mocy pobieranej przez mierzony zasilacz awaryjny i ewentualnie przez obciążenie. Umożliwia. ponadto pomiar prądu, napięcia i współczynnika mocy. Przeniesienie interfejsu na wyjście zasilacza UPS (11) umożliwia pomiar obciążenia wyjścia. Multimetr (3) służy do pomiaru temperatury elementów zasilacza UPS. Napięcie akumulatora jest mierzone przy pomocy multimetru (4), a napięcie wyjściowe zasilacza UPS przy pomocy multimetru (6). Niezależne od podstawowego przeznaczenie w systemie pomiarowym multimetrów (2), (4), (6), umożliwiają one pomiar wartości skutecznych (true RMS) napięć i prądów w dowolnych punktach układu. Do obserwacji przebiegów napięcia i prądu na wejściu, wewnątrz i na wyjściu zasilacza UPS służy oscyloskop analogowo-cyfrowy (5). Umożliwia on obserwację przebiegów periodycznych oraz zapamiętywanie przebiegów losowych w stanach przejściowych, na przykład zmiany stanu pracy zasilacza awaryjnego. Do jednoczesnej obserwacji napięcia i prądu na wyjściu lub wejściu mierzonego zasilacza opracowano interfejs (12) z galwaniczną izolacją. Przy pomocy interfejsu (12) możliwa jest ponadto jednoczesna obserwacja napięcia na wejściu i wyjściu zasilacza UPS lub obserwacja dowolnej kombinacji napięcia i prądu na wejściu i na wyjściu. Na stanowisku pomiarowym obciążenie liniowe reprezentuje zespół żarówek (14) konfigurowany przy pomocy układu (13). Jako obciążenie nieliniowe wykorzystano zestawy komputerowe (16) konfigurowane układem (15). Jak wcześniej wspomniano, komputer pomiarowy (7) służy do gromadzenia i przetwarzania danych uzyskanych z połączonych z nim multimetrów i oscyloskopu.. Oznaczenia: 1) Wstępne rezystancyjne obciążenie wejścia mierzonego zasilacza UPS 2) Multimetr METEX M-3860M – pomiar mocy 3) Multimetr METEX M-3850 – pomiar temperatury 4) Multimetr BRYMEN BM817X – pomiar napięcia akumulatorów 5) Oscyloskop analogowo-cyfrowy HAMEG HM 1507 – obserwacja przebiegów prądu i napięcia 6) Multimetr BRYMEN BM817X – pomiar napięcia wyjściowego 7) Komputer pomiarowy – oprogramowanie do gromadzenia wyników pomiarów wykonywanych multimetrami oraz. oprogramowanie do analizy FFT przebiegu napięciowego i do analizy zawartości harmonicznych w przebiegu prądu Włącznik wstępnego obciążenia wejścia POWER OFF – regulowany symulator zaniku napięcia Interfejs pomiarowy do multimetru M-3860M Zasilacz awaryjny – przedmiot pomiarów Interfejs pomiarowy z galwaniczną separacją przeznaczony do obserwacji przebiegów prądu i napięcia na oscyloskopie Układ do konfiguracji obciążenia liniowego Obciążenie liniowe Układ do konfiguracji obciążenia nieliniowego Obciążenie nieliniowe. 4. UKŁAD POMIAROWY. 8) 9) 10) 11) 12). 13) 14) 15) 16). Rys 3. Stanowisko pomiarowe. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. 3/5.

(4) www.pwt.et.put.poznan.pl. 5. INNE SZKODLIWE ZJAWISKA Poza wcześniej opisanymi niekorzystnymi efektami związanymi z zaburzeniami napięcia i prądu na wejściu, wewnątrz i na wyjściu zasilacza awaryjnego znaczący wpływ na jakość jego pracy i funkcjonalność, mają czynniki obniżające jego sprawność w przetwarzaniu energii elektrycznej oraz czynniki skracające żywotność akumulatorów. Podstawową przyczyną obniżenia sprawności zasilacza UPS w autonomicznym stanie pracy są straty związane z przetwarzanie energii w falowniku, głównie straty na rezystancji tranzystorów przełączających stopnia mocy falownika oraz w transformatorze głównym. Przyczynami skrócenia żywotności akumulatorów jest podwyższona temperatura oraz ciągły prąd ładowania. Podwyższona temperatura związana jest z reguły ze stosowaniem mało sprawnych stabilizatorów o pracy ciągłej oraz z wykorzystywaniem transformatorów z dużymi stratami własnymi (związanymi z prądami przemagnesowania i prądami wirowymi). Ciągły prąd ładowania akumulatora wynika często z zastosowania określonej metody ładowania polegającej na utrzymywaniu stałego napięcia na jego zaciskach zawsze gdy zasilacz podłączony jest do źródła zasilania, bez względu na położenie włącznika sieciowego zasilacza. 6. PRZECIWDZIAŁANIE ZJAWISKOM SZKODLIWYM Duże znaczenie w łagodzeniu przepięć i przetężeń związanych z pracą zasilacza awaryjnego może mieć odpowiednie sterowanie jego falownikiem i rozłącznikiem głównym. W tym celu korzystnie jest zastosować, w miejscu układów kontrolnopomiarowych, mikrokontroler z odpowiednio zaimplementowanymi algorytmami sterowania. Mikrokontroler umożliwia na podstawie analizy stanu zasilacza, napięcia zasilającego, obciążenia i stanu akumulatora podejmowanie adekwatnych akcji dotyczących sterowania falownikiem i rozłącznikiem głównym. W szczególności dotyczy to zmiany stanów pracy zasilacza oraz zmiany jego obciążenia w autonomicznym stanie pracy. Zastosowanie łagodnego startu falownika podczas „zimnego startu” umożliwia złagodzenie prądu włączenia transformatora głównego. Stosując dodatkowy przekaźnik na wyjściu zasilacza UPS, odłączający jego wyjście od odbiornika, możliwy jest również łagodny star transformatora w podstawowym stanie pracy. Polega to na „zimnym starcie” zasilacza UPS w stanie autonomicznym, przejście w stan podstawowy i załączenie przekaźnika wyjściowego. Warunkiem jest jednak wcześniejsze opanowanie niekorzystnych efektów związanych ze zmianą stanu z autonomicznego stanu pracy na podstawowy. Bywa, że w zasilaczach małej mocy „line interactive” stosuje się bloki akumulatorowe o dużej pojemności w celu zapewnienia długich czasów podtrzymania zasilania odbiornika podczas awarii sieci zasilającej. W celu szybkiego doładowania. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. akumulatorów o dużej pojemności wymagane jest stosowanie wydajnych układów ładowania. Zastosowanie wysokosprawnych zasilaczy impulsowych może powodować znaczne zniekształcenia prądu [3] na wejściu zasilacza UPS w podstawowym stanie pracy. W celu przekształcenia impulsowego poboru prądu w liniowy korzystnie jest zaimplementować taki algorytm sterowania układem ładowania (wykorzystującym falownik zasilacza), który realizuje układ korektora współczynnika mocy PFC [4]. Umożliwi to wykorzystanie zasilaczy UPS do współpracy z mało wydajnymi alternatywnymi źródłami energii. W celu podniesienia sprawności zasilacza UPS w autonomicznym stanie pracy można zastosować w stopniu mocy falownika tranzystory unipolarne z izolowaną bramką o bardzo niskiej rezystancji kanału, zapewniając im jednocześnie mocne sterowanie. Spowoduje to ograniczenie strat związanych ze spadkiem napięć na przewodzących tranzystorach falownika, i przyczyni się do obniżenia temperatury zastosowanych radiatorów. Aby ograniczyć straty w transformatorze głównym zasilacza awaryjnego w autonomicznym i podstawowym stanie pracy, należy używać rdzeni zbudowanych z blach transformatorowych o małej stratności, oraz wykonywać uzwojenia o odpowiednio dużej ilości zwojów drutami o możliwie dużych przekrojach. Pozwala to ograniczać straty związane z prądami wirowymi, przemagnesowania oraz przewodzenia i jednocześnie obniża jego temperaturę podczas pracy. Aby wydłużyć żywotność akumulatorów należy ograniczyć wzrost temperatury w zasilaczu UPS w podstawowym i autonomicznym stanie pracy. Ponieważ w opisywanym zasilaczu „line interactive” transformator główny oraz stopień mocy falownika pracują zarówno w układzie falownika w autonomicznym stanie pracy jak i w układzie ładowania w podstawowym stanie pracy, to wyżej opisane działania podnoszące sprawność zasilacza przyczyniają się jednocześnie do wydłużenia żywotności akumulatorów. Dodatkowym działaniem zmierzającym do wydłużenia żywotności akumulatorów jest eliminacja ciągłego prądu przepływającego przez akumulator po jego naładowaniu. Umożliwia to zastosowany mikrokontroler, który poza innymi działaniami pozwala zarządzać czasem ładowania akumulatorów. 7. PODSUMOWANIE W artykule podjęto próbę określenia przyczyn niekorzystnych zaburzeń napięcia i prądu w zasilaczu awaryjnym „line interactive”, oraz zaproponowano układ pomiarowy, który umożliwi ich obserwację i pomiary. Analiza uzyskanych wyników obserwacji i pomiarów pozwoli na opracowanie zoptymalizowanych algorytmów sterowania pracą zasilacza UPS przy wykorzystaniu mikrokontrolera. Zastosowanie zoptymalizowanych algorytmów sterowania wraz z działaniami zmierzającymi do podniesienia sprawności falownika i układu ładowania oraz działaniami zmierzającymi do wydłużenia żywotności akumulatorów prowadzi do opracowania nowoczesnych zasilaczy. 4/5.

(5) www.pwt.et.put.poznan.pl. awaryjnych „line interactive” małej mocy. Mogą one być w przyszłości wykorzystane między innymi do współpracy z nowoczesnymi mało wydajnymi alternatywnymi źródłami energii (np.: takimi jak małe elektrownie wiatrowe, ogniwa słoneczne) zasilającymi m.in. autonomiczne stacje przekaźnikowe, autonomiczne stacje meteorologiczne itp. SPIS LITERATURY. [2] P. Lisowski. Zasilacze awaryjne UPS małej mocy, Przegląd Telekomunikacyjny, artykuł przyjęty do druku [3] L. S. Czarnecki. Składowe Fizyczne Prądu i Moce w Obwodach z Impulsowym Przepływem Energii, Fellow IEEE Electrical and Computer Engineering Dept., Louisiana State University [4] C. Adragna. Design of fixed-off-time-controlled PFC pre-regulators with the L6562, Application note, STMicroelectonics 2003. [1] I. Lisowska, P. Lisowski. Potrzeba stosowania zasilaczy awaryjnych UPS, Przegląd Komunalny, nr 2, 2004. PWT 2005 - POZNAŃ 8-9 GRUDNIA 2005. 5/5.

(6)