MODEL SYMULACYJNY I EKSPERYMENTALNY ZASILACZA UPS Z MOŻLIWOŚCIĄ AKTYWNEJ KOMPENSACJI RÓWNOLEGŁEJ

(1)

DOI 10.21008/j.1897-0737.2018.95.0002

__________________________________________

* Politechnika Poznańska

Michał KRYSTKOWIAK

^*

, Łukasz CIEPLIŃSKI

^*

MODEL SYMULACYJNY I EKSPERYMENTALNY ZASILACZA UPS Z MOŻLIWOŚCIĄ AKTYWNEJ

KOMPENSACJI RÓWNOLEGŁEJ

W artykule zaprezentowano strukturę oraz zasadę działania opracowanej koncepcji zasilacza UPS charakteryzującego się dodatkową możliwością aktywnej kompensacji równoległej, co jest zasadniczą różnicą w stosunku do powszechnie spotykanych tego typu urządzeń na rynku. Opisano zarówno model symulacyjny, jak wybrane podzespoły części silnoprądowej oraz sterującej układu eksperymentalnego (będącego jeszcze w fazie budowy). Autorzy przedstawią również wybrane wyniki badań obu modeli dla wybranych warunków pracy.

SŁOWA KLUCZOWE: przesunięcie fazowe, wyższe harmoniczne, struktura VFI, zasilacz UPS, procesor sygnałowy.

1. WPROWADZENIE

W artykule zaprezentowano strukturę części silnoprądowej oraz układ sterowania rozwiązania zasilacza UPS typu VFI [7], który dodatkowo odznacza się możliwością kompensacji przesunięcia fazowego między podstawowymi harmonicznymi napięcia i prądu sieci oraz redukcji wyższych harmonicznych ge- nerowanych przez inne odbiorniki energii dołączone do wspólnego węzła sieci elektroenergetycznej.

Ogólna idea kompensacji przesunięcia fazowego przez opisywany zasilacz UPS polega na poborze prądu o przeciwnym kącie fazowym w stosunku do wypadkowego prądu pobieranego przez inne odbiorniki. W konsekwencji kąt fazowy podstawowej harmonicznej prądu wejściowego zasilacza UPS zwykle jest różny od zera. Funkcja kompensacji wyższych harmonicznych wymusza odkształcenie prądu wejściowego przekształtnika UPS w taki sposób, aby jego suma z prądami współpracujących odbiorników dawała sygnał wynikowy, który cechuje się możliwie niską zawartością niepożądanych harmonicznych w rozpatrywanym paśmie częstotliwości [1, 2, 4, 5, 6].

Prezentowane w artykule rozwiązanie zasilacza UPS bazuje na strukturze typu VFI (Voltage Frequency Independent) [7, 8].

(2)

W pracy przedstawiono wybrane wyniki badań modelu symulacyjnego systemu. Ponadto przedstawiono wstępne badania jednego z głównych podzespo- łów modelu eksperymentalnego będącego w fazie budowy – wejściowego prostownika tranzystorowego.

2. ZASADA DZIAŁANIA ZASILACZA UPS

Ogólny schemat blokowy systemu odzwierciedlający sposób połączeń po- szczególnych elementów opisywanego systemu zaprezentowano na rysunku 1.

Rys. 1. Uproszczony schemat blokowy systemu elektrycznego z zasilaczem UPS współpracującym z innymi odbiornikami energii elektrycznej

Urządzenie UPS zasilane jest z sieci energetycznej wspólnie z innymi odbiornikami. Dodatkowo, zastosowano analizator wypadkowego prądu sieci (umożliwiający m.in. wyznaczenie zawartości harmonicznych sygnału oraz przesunięcia fazowego). W tym rozwiązaniu odbiorniki, które wymagają gwarantowanego i o wysokiej jakości zasilania dołączone są do wyjścia zasilacza UPS.

Na rysunku 2 pokazano schemat blokowy zasilacza UPS o strukturze VFI.

Rys. 2. Schemat blokowy zasilacza UPS o strukturze VFI

Na schemacie blokowym można wyróżnić następujące moduły:

‒ filtr wejściowy,

‒ sprzęg AC/DC/AC zbudowany z następujących przekształtników energoelektronicznych:

 przekształtnika AC/DC (sieciowego),

 wyjściowego (odbiornikowego) falownika napięcia zbudowanego na bazie mostka H i filtru LC,

(3)

‒ przekształtnik DC/DC (bateryjny) zasilany z szyny prądu stałego,

‒ baterie akumulatorów.

Zadaniem przekształtnika wejściowego jest nie tylko zapewnienie wymaga- nej wartości napięcia stałego, możliwie bliskiego wartości nominalnej, ale także umożliwienie aktywnej kompensacji przesunięcia fazowego i wyższych harmonicznych prądu sieci. Wiąże się to z przepływem prądu o większej wartości sku- tecznej w porównaniu z klasycznym sterowaniem, gdzie wymagane jest zapewnienie prądu możliwie dobrze zbliżonego do przebiegu sinusoidalnego o zero- wym kącie przesunięcia fazowego. Konsekwencją tego faktu jest konieczność przewymiarowania elementów przekształtnika sieciowego. Nie jest jednak wymagane użycie dodatkowych modułów w postaci filtrów pasywnych, bądź też aktywnych celem poprawy jakości wypadkowego prądu sieci [1, 2, 4, 5].

Przekształtnik impulsowy DC/DC, umożliwiający ładowanie zespołu baterii akumulatorowej, bazuje na klasycznej strukturze przetwornicy DC/DC typu BUCK.

Moduł wyjściowy pracuje jako układ regulacji zamkniętej, stanowiąc tym samym energoelektroniczne sterowane źródło napięcia. W konsekwencji możli- we jest zapewnienie wysokiej jakości napięcia dla odbiorników zasilanych z zasilacza rezerwowego.

3. KONSTRUKCJA ZASILACZA UPS 3.1. Struktura części wejściowej zasilacza

Obwód wejściowy zasilacza UPS zaprojektowany został na bazie w pełni ste- rowalnego mostka tranzystorowego z filtrem indukcyjnym na wejściu (rys. 3)

Zastosowana struktura umożliwia pobór prądu sieci o dowolnym kształcie i kącie przesunięcia fazowego podstawowej harmonicznej pod warunkiem zapewnienia wartości napięcia na szynie DC wyższej od amplitudy napięcia sieciowego. Od strony wejściowej przekształtnik ten można w analizowanym przypadku rozpatrywać jako energoelektroniczne sterowane źródło prądu [3].

Rys. 3. Schemat ideowy części silnoprądowej przekształtnika sieciowego zasilacza UPS

(4)

Zadaniem przekształtnika sieciowego zasilacza UPS w opisywanym rozwią- zaniu jest nie tylko stabilizacja napięcia wyjściowego na szynie DC, ale również aktywna kompensacja przesunięcia fazowego oraz wyższych harmonicznych prądu sieci wynikających z oddziaływania odbiorników zasilanych z tego same- go węzła sieci energetycznej, co UPS. Takie rozwiązanie wymaga pomiaru wypadkowego prądu sieci w wybranym węźle, z którego zasilane są odbiorniki oraz UPS. Kontrolowanie przepływu energii czynnej jest możliwe poprzez stabi- lizację napięcia w obwodzie szyny DC.

Schemat blokowy układu sterowania częścią wejściową zasilacza UPS zaprezentowano na rysunku 4. Zastosowano tam nadrzędny regulator napięcia na szynie DC, który jest odpowiedzialny za wyznaczenie amplitudy prądu w rozpatrywanym węźle sieci. Sygnał wyjściowy z niniejszego regulatora jest mnożony przez sinusoidalny sygnał o stałej amplitudzie i fazie zgodnej z fazą podstawowej harmonicznej napięcia sieciowego. Wynikiem mnożenia jest sygnał referen- cyjny dla podrzędnego regulatora prądu odpowiedzialnego za kształtowanie prądu sieci w rozpatrywanym węźle [3].

Rys. 4. Schemat blokowy układu sterowania przekształtnikiem sieciowym zasilacza UPS

3.2. Struktura części wyjściowej zasilacza

Część silnoprądową – wyjściową – zasilacza UPS zaprezentowano na rysunku 5. W niniejszym rozwiązaniu zastosowano transformator, zapewniający sepa- rację galwaniczną zasilacza od odbiornika – wymaganą w niektórych zastoso- waniach przemysłowych zasilacza UPS.

Rys. 5. Schemat ideowy części silnoprądowej wyjściowej zasilacza UPS

(5)

Zastosowanie wyjściowego filtru dolnoprzepustowego LC jest konieczne w celu zapewnienia odpowiedniej jakości napięcia, które powinno charaktery- zować się zarówno możliwie małymi zniekształceniami, jak i stałą w czasie wartością skuteczną oraz częstotliwością harmonicznej podstawowej.

Część sterująca przekształtnikiem została przedstawiona na rysunku 6.

Rys. 6. Schemat blokowy układu sterowania falownikiem wyjściowym zasilacza rezerwowego

Zastosowano w tym przypadku klasyczny układ zamknięty z regulatorem typu PI.

3.4. Część silnoprądowa i sterująca modułu prostownika wejściowego układu eksperymentalnego zasilacza UPS

Część silnoprądową prostownika wejściowego zasilacza UPS zrealizowano bazując na przekształtniku P3-5.0/550MFE LABINVERTER [9] firmy ALFINE TIM z dodatkowym dławikiem sieciowym. Schemat blokowy przekształtnika LABINVERTER zaprezentowano na rysunku 7.

Rys. 7. Schemat blokowy przekształtnika P3-5.0/550MFE LABINVERTER

Przekształtnik ten bazuje na dwóch podzespołach energoelektronicznych:

3-fazowym zintegrowanym prostowniku diodowym (P) oraz 3-fazowym inteli- gentnym module mocy z zaworami IGBT typu PM50RSA120 firmy Mitsubishi, który jest częścią składową modułu falownika napięcia (MF). Prostownik wej- ściowy P nie był wykorzystywany w czasie realizacji modelu laboratoryjnego,

(6)

podobnie densatoró przypadku

Cyfrow wano w o TIM. Baz SHARC 3

Badan w środow pracy zasi

Rys. 8. Prz

W trak zbudowan wyniki ba

Rys. 9. P

Należy go dezakt

jak układ ro ów obwodu p

u jedna gałąź wy układ ste oparciu o sy

zuje on na 3-generacji ty

4. BAD

nia modelu wisku Matlab

ilacza zaprez

zebiegi prądów

kcie dalszych nego modelu adań zaprezen

Przebiegi: napię

y przy tym z tywowano fu

ozruchowy (U pośrednicząc ź tranzystoro erowania klu ystem urucho zmiennoprz ypu ADSP-2

DANIA MO I EKSPER

symulacyjne b. Wyniki ba

zentowano o

i napięcia sieci cia przemienn

h etapów bad u eksperyme ntowano na

ęcia sieci, prądu nap

zaznaczyć, że unkcję aktyw

UR) umożliw cego. Należy owa modułu M

uczami prost omieniowy A zecinkowym 21369 firmy A

ODELU SYM

RYMENTA

ego zasilacz adań symulac dpowiednio

dla dodatkowe nego obciążone

dań sprawdzo entalnego pro rysunku 9.

u wejściowego pięcia na szynie

e w trakcie w wnej kompens

wiający wstę y zaznaczyć MF nie zosta townika tran ALS-G3-136 procesorze Analog Devi

MULACYJ ALNEGO

za UPS zos cyjnych dla

na rysunku 8

ego odbiornika w ego rezystancją

ono prawidło ostownika w

prostownika (q e DC

wstępnych te sacji równole

ępne naładow ć, że w anal

ała wykorzys nzystorowego 69 [10] firmy sygnałowym ice.

JNEGO

stały przepr wybranych w 8.

w postaci regul

owość funkcj wejściowego.

quasi – sinusoid

estów układu egłej układu

wanie kon- lizowanym

stana.

o zrealizo- y ALFINE m rodziny

rowadzone warunków

latora napię-

cjonowania . Wybrane

dalne) oraz

u fizyczne- .

(7)

5. PODSUMOWANIE

W pracy zaprezentowano część silnoprądową oraz sterującą zasilacza rezerwowego UPS, umożliwiającego dodatkową aktywną kompensację przesunięcia fazowego między podstawowymi harmonicznymi napięcia i prądu sieci oraz redukcję niepożądanych wyższych harmonicznych wypadkowego prądu sieci, co stanowi pewną innowację wobec rozwiązań powszechnie stosowanych ograni- czających tylko pobór mocy biernej [11]. Zastosowanie takiego rozwiązania umożliwia ograniczenie kosztów inwestycyjnych związanych z instalacją kla- sycznych filtrów pasywnych bądź też aktywnych energoelektronicznych kom- pensatorów równoległych.

LITERATURA

[1] Barlik R., Nowak M., Jakość energii elektrycznej – stan obecny i perspektywy, Przegląd Elektrotechniczny, nr 07/08, 2005, s. 1-12.

[2] Fryze S., Moc rzeczywista, urojona i pozorna w obwodach elektrycznych o prze- biegach odkształconych prądu i napięcia, Przegląd Elektrotechniczny, Nr 7/8, (1931).

[3] Krystkowiak M., Zmodyfikowany model szerokopasmowego energoelektronicz- nego sterowanego źródła prądowego z modulacją prądu wyjściowego, Elektroni- ka: Konstrukcje, Technologie, Zastosowania, (2016).

[4] Pasko M., Lange A., Kompensacja mocy biernej i filtracja wyższych harmonicznych za pomocą filtrów biernych LC, Przegląd Elektrotechniczny, nr 4, 2010, s.

126-129.

[5] Piróg S., Energoelektronika. Negatywne oddziaływanie układów energoelektronicznych na źródła energii i wybrane sposoby ich ograniczenia, Wydawnictwo AGH, Kraków, (1998).

[6] Rosseto L., Spiazzi G., Tenti P., Control techniques for power factor correction converters, Proceedings of PEMC'94, Warszawa, (1994).

[7] Wiatr J., Miegoń M., Zasilacze UPS oraz baterie akumulatorów w układach zasilania gwarantowanego, seria Zeszyty dla elektryków - nr 4, DW MEDIUM, War- szawa 2008.

[8] PN-EN 62040-3:2005/A11:2009 Systemy bezprzerwowego zasilania (UPS).

[9] dokumentacja techniczna przekształtnika LABINVERTER firmy Alfine TIM.

[10] dokumentacja techniczna systemu uruchomieniowego ALS-G3-1369 firmy Alfine TIM.

[11] http://ever.eu/c/pl/kompensacja-mocy-biernej, (dostępność: 05.03.2018r.).

(8)

SIMULATION AND EXPERIMENTAL MODEL OF POWER ELECTRONICS UPS CONVERTER WITH THE POSSIBILITY OF ACTIVE PARALLEL

COMPENSATION

In the article the elaborated simulation and exprimental model of the power electronics UPS converter with the possibility of active parallel compensation was described.

The power circuits, control algorithms and the principle of working of presented UPS structure were presented. Also the chosen simulation and experimental results for chosen points were analyzed.

(Received: 30.01.2018, revised: 09.03.2018)