Przemysław Lisowski Politechnika Poznańska
Wydział Elektroniki i Telekomunikacji ul. Piotrowo 3A, 60-965 POZNAŃ lisowski@ups.hg.pl
MINIMALIZACJA ZABURZEŃ ZAŁĄCZANIA I PRZEŁĄCZANIA
W ZASILACZACH UPS O DZIAŁANIU ZWROTNYM
Streszczenie: W artykule omówiono przyczyny zaburzeń występujących w zasilaczach UPS o działaniu zwrotnym. Skoncentrowano się na prądzie włączenia zasilacza oraz opóźnionej reakcji rozłącznika głównego. Zaproponowano modyfikację zasilacza UPS polegającą na wprowadzeniu dodatkowego szybkiego rozłącznika szeregowego, który umożliwi redukcję prądu włączenia transformatora głównego podczas zmiany stanu pracy oraz podczas załączania.
1. WSTĘP
Najpopularniejszą rodzinę zasilaczy awaryjnych (bezprzerwowych) UPS stanowią zasilacze małej mocy o działaniu zwrotnym [1] (rys. 1). Przeznaczane są z reguły do ochrony odbiorników o mocy nie przekraczającej 3 kVA. 1 2 3 4 5 6 układy kontrolno -pomiarowe (1) - filtr wejściowy (2) - rozłącznik główny (3) - filtr wyjściowy (4) - transformator główny (5) - stopień mocy falownika (6) - akumulator - kierunek transferu energii w podstawowym stanie pracy - kierunek transferu energii w autonomicznym stanie pracy - kierunek sygnałów kontrolno -pomiarowych
Rys. 1. Schemat blokowy zasilacza UPS o działaniu zwrotnym
W artykule skoncentrowano uwagę na dwóch elementach składowych zasilacza UPS umieszczonych w torze transferu energii [2] [3] – rozłączniku głównym w postaci przekaźnika elektromagnetycznego (2) oraz niskoczęstotliwościowym transformatorze głównym (4). Omówiono szkodliwe zjawiska występujące podczas zmiany stanu zasilacza UPS z podstawowego w autonomiczny związane z opóźnioną reakcją rozłącznika głównego oraz prądem włączenia transformatora głównego.
Zaproponowano modyfikację zasilaczy UPS wykorzystujących synchroniczną metodą przełączania między stanami pracy. Celem modyfikacji polegającej na wprowadzeniu szybkiego rozłącznika szeregowego jest skrócenie czasu przełączania oraz zniwelowanie
prądu włączenia transformatora głównego towarzyszącemu zmianie stanu i załączaniu zasilacza.
2. METODY ZMIANY STANU
W opisywanych w artykule zasilaczach o działaniu zwrotnym wykorzystuje się zasadniczo dwie metody zmiany stanu z podstawowego (praca z sieci zasilającej) na autonomiczny (praca z akumulatorów) [4] – metodę niesynchroniczną i synchroniczną.
Niesynchroniczne przełączanie polega na próbie kontynuacji fazy przebiegu napięcia wyjściowego zasilacza UPS w stanie autonomicznym, po przerwie (∆t) niezbędnej do detekcji awarii zasilania i zmiany położenia rozłącznika głównego (rys. 2). Próba kontynuacji fazy napięcia wejściowego na wyjściu po
Rys. 2. Przebieg napięcia wyjściowego przy niesynchronicznej metodzie zmiany stanu na skutek awarii zasilania
przerwie (w stanie autonomicznym) skutkuje skokową utratą synchronizmu przebiegów wyjściowego i wejściowego. Kontynuacja napięcia w przybliżeniu od tej samej fazy w stanie autonomicznym jest możliwa tylko w układach z szybką detekcją awarii zasilania.
W zasilaczach wykorzystujących uproszczone układy detekcji zasilania (zależne od obciążenia wyjścia i wejścia) kontynuacja napięcia następuje od z góry ustalonej fazy np. od szczytu napięcia. W tej sytuacji wraz z utratą synchronizmu następuje również zmiana fazy między wejściowym i wyjściowym przebiegiem napięcia zależna od chwili zaniku napięcia.
2006
Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne Poznań 7 - 8 grudnia 2006
Przełączanie synchroniczne polega na zachowaniu synchronizmu między przebiegiem napięcia na wejściu zasilacza UPS przed awarią zasilania a przebiegiem na wyjściu wygenerowanym przez falownik w autonomicznym stanie pracy (rys. 3).
Rys. 3. Przebieg napięcia wyjściowego przy synchronicznej metodzie zmiany stanu na skutek awarii zasilania
Podobnie jak w metodzie niesynchronicznego przełączania miedzy stanami, na przerwę (∆t) składają się czas detekcji awarii zasilania i czas zmiany położenia rozłącznika głównego. Ponieważ priorytetem jest zachowanie synchronizmu przebiegów na wyjściu przed i po awarii zasilania nie jest możliwe kontynuowanie przebiegu napięcia wyjściowego od jego fazy przed awarią.
3. WŁAŚCIWOŚCI METOD ZMIANY STANU Procesowi zmiany stanu zasilacza awaryjnego UPS z podstawowego na autonomiczny towarzyszy prąd włączenia transformatora głównego (prąd magnesujący z dominującą składową jednokierunkową) oraz opóźniona reakcja rozłącznika głównego.
Niekorzystna zmiana fazy napięcia podczas zmiany stanu może spowodować duży prąd włączenia. Wartość prądu włączenia zależy od rezystancji uzwojenia wzbudzającego, pozostałości magnetycznej (strumienia remanentu), wartości i fazy napięcia, ilości zwojów, rodzaju rdzenia, ułożenia uzwojeń itd. [5]. Znajomość stanu transformatora pozwala ograniczyć prąd włączenia przez odpowiednie jego załączanie [4].
Rys. 4. Przebiegi napięcia i prądu transformatora podczas wyłączenia i ponownego załączenia w tej samej fazie napięcia
Na rysunku 4 przedstawiono przebieg prądu i napięcia na uzwojeniu typowego transformatora (stosowanego w zasilaczu UPS o mocy 1,6 kVA) podczas wyłączenia i ponownego załączenia po przerwie. Na skutek zachowania fazy napięcia po ponownym załączeniu transformatora, nie wzrósł prąd magnesujący rdzeń.
Rys. 5. Przebiegi napięcia i prądu transformatora podczas wyłączenia i ponownego załączenia w przeciw fazie napięcia Na rysunku 5 przedstawiono przypadek załączenia napięcia zasilającego transformator w innej fazie niż podczas wyłączenia. Skutkiem załączenia transformatora jest pojawienie się prądu włączenia w postaci gasnących impulsów unipolarnych.
Stosowanie przekaźnika elektromagnetycznego jako rozłącznika głównego pozwala m.in. spełnić wymagania dyrektyw dotyczących zasilaczy UPS (niskonapięciowej - LVD i kompatybilności elektromagnetycznej - EMC). Wadą takiego rozłącznika jest wydłużony czas reakcji (kilka milisekund w przypadku zwalniania styków), który dodatkowo zależy od płynącego prądu i napięcia między stykami podczas przełączania.
Przeprowadzone badania na specjalnym stanowisku pomiarowym [6] pozwoliły stwierdzić, że stosowanie w zasilaczach UPS synchronicznej metody przełączania miedzy podstawowym i autonomicznym stanem pracy pozwala na uzyskiwanie czasów przełączania poniżej 16 ms. Są to czasy wystarczające do zapewnienia ciągłości zasilania komputerów PC, co potwierdzają producenci zasilaczy komputerowych dopuszczając tak długie przerwy w zasilaniu. Wadą przełączania synchronicznego niemal w każdym przypadku jest pojawianie się prądu włączenia transformatora głównego lub napięcia na wejściu zasilacza UPS generowanego przez zbyt szybko załączony falownik na skutek awarii zasilania.
Wartość prądu włączenia zależy od chwili zaniku napięcia zasilającego, czasu detekcji zaniku i szybkości startu falownika. Zbyt duży prąd włączenia może powodować zadziałanie zabezpieczeń biernych w obwodzie falownika powodując awarię zasilania odbiorników chronionych przez zasilacz UPS. Na rysunku 6 przedstawiono przebiegi napięcia wyjściowego i prądu akumulatora zasilacza UPS obciążonego odbiornikiem nieliniowym. Uwidoczniono na nim prąd włączenia transformatora głównego.
Opóźniona reakcja rozłącznika głównego może doprowadzić do transferu energii z falownika na wejście zasilacza UPS, co przy znacznym obciążeniu wejścia i słabych akumulatorach może spowodować wyłączenie zasilacza UPS skutkujące utratą zasilania
zabezpieczanego sprzętu. Na rysunku 7 zamieszczono przebiegi napięcia na wejściu i wyjściu zasilacza UPS podczas zmiany stanu. Przedstawiono efekt obniżenia napięcia wyjściowego spowodowany pracą falownika na obciążone wejście.
Rys. 6. Przebiegi napięcia wyjściowego i prądu akumulatora podczas zmiany stanu pracy zasilacza UPS
Rys. 7. Przebiegi napięcia wejściowego i wyjściowego podczas zmiany stanu pracy zasilacza UPS
Rys. 8. Przebiegi napięcia i prądu wyjściowego podczas zmiany stanu pracy zasilacza UPS
Pomiary zasilaczy UPS wykorzystujących niesynchroniczną metodą zmiany stanu podczas awarii zasilania w szczególności stosujących uproszczone układy detekcji nieprawidłowego napięcia na wejściu pokazują, że czas przełączania w autonomiczny stan pracy może przekraczać 20 ms. Ten wydłużony czas przełączania może prowadzić do restartu chronionych komputerów. Na rysunku 8 przestawiono przebiegi napięcia i prądu na wyjściu zasilacza UPS stosującego uproszczony układ detekcji awarii zasilania i generujący quasi-prostokątny przebieg napięcia w stanie autonomicznym. Zademonstrowano przypadek zaniku napięcia spowodowany rozwarciem obwodu zasilającego.
Podstawową zaletą synchronicznej metody zmiany stanu zasilacza UPS z podstawowego na autonomiczny jest zachowanie synchronizmu między przebiegami napięć wyjściowych przed i po awarii zasilania. Podstawową wadą jest występowanie prądu włączania transformatora głównego na skutek zmiany stanu i to głównie z powodu opóźnionej reakcji rozłącznika głównego, którą należy uwzględniać przy starcie falownika. Start falownika musi nastąpić z opóźnieniem zapobiegającym pojawieniu się napięcia wyjściowego na wejściu w stanie autonomicznym.
Podstawową zaletą niesynchronicznej metody zmiany stanu jest możliwość ograniczenia prądu włączenia transformatora głównego podczas przełączania oczywiście pod warunkiem szybkiej detekcji awarii zasilania. Wadą tej metody jest brak synchronizmu między przebiegami napięcia wyjściowego przed i po awarii zasilania.
4. MODYFIKACJIA ZASILACZA UPS W celu ograniczenia zaburzeń związanych ze zmianą stanu z podstawowego na autonomiczny w obu metodach przełączania należy w zasilaczach UPS o działaniu zwrotnym skrócić czas detekcji awarii zasilania oraz czas rozłączania rozłącznika głównego. Ograniczenie czasu przełączania do 1 ms umożliwiłoby, w zasilaczach z przebiegiem sinusoidalnym na wyjściu w autonomicznym stanie pracy, na zrealizowanie wymagań dotyczących napięcia wg drugiej charakterystyki normy PN-EN 62040-3. Charakterystyka ta zakłada, że w stanach przejściowych napięcie na wyjściu zasilacza UPS nie pozostaje zerowe dłużej niż 1 ms. Spełnienie charakterystyki drugiej pozwoliłoby na rozszerzenie zastosowań popularnych zasilaczy UPS o działaniu zwrotnym od specyficznych (zabezpieczanie zasilania komputerów) do niemal wszystkich.
Aby osiągnąć cel należy stosować układy pomiaru napięcia sieci analizujące jego kształt oraz zastosować szybki rozłącznik szeregowy, który wraz z rozłącznikiem głównym w postaci przekaźnika elektromagnetycznego, zapewni spełnienie wymagań dyrektyw niskonapięciowej i kompatybilności elektromagnetycznej oraz charakterystyki drugiej normy PN-EN 62040-3.
Szybka detekcja awarii zasilania może być przeprowadzona przy pomocy mikrokontrolera pełniącego funkcję układów kontrolno-pomiarowych rys. 1. Biorąc pod uwagę współczesny charakter
obciążenia sieci zasilającej pewnym problemem może być przyjęcie prawidłowego wzorca przebiegu napięcia zasilania. Na rysunku 9 przedstawiono typowy przebieg napięcia zasilania w rejonie miejskim na tle czystej sinusoidy. Możliwe, że w tej sytuacji konieczne będzie „uczenie się” przez zasilacz UPS lokalnego kształtu napięcia stanowiącego wzorzec, odstępstwo od którego będzie sygnałem awarii zasilania.
Rys. 9. Teoretyczny i rzeczywisty przebieg napięcia sieciowego w rejonie miejskim
Na rysunku 10 zaproponowano schemat szybkiego rozłącznika szeregowego oparty o tanie tranzystory unipolarne z izolowaną bramką wyposażone w diody zwrotne. Układ wyposażono w prosty autonomiczny zasilacz oraz transoptorowe przekaźniki sygnałów sterujących generowanych przez mikrokontroler.
układy
kontrolno-pomiarowe
1
2
3
4
S2
S1
T2
1 2 3 4 - filtr wejściowy - filtr wyjściowy - stopień mocy falownika - akumulator S1 S2 T2 - rozłącznik główny - rozłącznik szybki - transformator głównyRys. 10. Schemat blokowy zasilacza UPS o działaniu zwrotnym z wyszczególnionym schematem ideowym szybkiego rozłącznika S2
Zastosowanie szybkiego rozłącznika szeregowego pozwoli na skrócenie czasu przełączania ze stanu podstawowego na autonomiczny podczas awarii zasilania, precyzyjniejsze kontrolowanie powrotu do stanu podstawowego oraz łagodny start transformatora podczas załączania zasilacza UPS. Ponadto szybki rozłącznik umożliwi zmianę położenia styków rozłącznika głównego podczas, gdy nie płynie przez nie prąd. Może to znacznie przedłużyć jego żywotność.
W zasilaczach z układem ciągłego pomiaru mocy szybki rozłącznik może zapobiec przepaleniu bezpiecznika sieciowego w stanie pracy sieciowej na skutek przeciążenia wyjścia.
Przedstawiony na rysunku 10 schemat szybkiego rozłącznika pozwala na zachowanie galwanicznej izolacji jego obwodów od niskonapięciowych układów kontrolno-pomiarowych.
W przedstawionej konfiguracji zostają zachowane wszystkie zalety zasilaczy UPS o działaniu zwrotnym z jednoczesnym rozszerzeniem ich zastosowań do ochrony zasilania odbiorników bardziej czułych na zaburzenia napięcia zasilającego.
4. PODSUMOWANIE
W artykule zaproponowano modyfikację zasilaczy UPS o działaniu zwrotnym wykorzystujących niskoczęstotliwościowy transformator główny oraz przekaźnik elektromagnetyczny pełniący funkcję rozłącznika głównego, która może przyczynić się do zwiększenia niezawodności zasilania chronionych odbiorników. Wykorzystując metodę synchronicznego przełączania, stosując algorytmy szybkiej detekcji awarii zasilania realizowane przez mikrokontroler i wykorzystując szybki rozłącznik możliwe będzie zapobieganie przypadkowym przerwom zasilania podczas zmiany stanu zasilacza UPS. Spełnienie wymagań normy PN-EN 62040-3 wg charakterystyki 2 dotyczącej zmian napięcia wyjściowego w stanach przejściowych, pozwoli na rozszerzenie szczególnych zastosowań tego typu zasilaczy do bardziej powszechnych. Ponadto łagodny start zasilacza realizowany przy pomocy szybkiego rozłącznika szeregowego uczyni zasilacz bardziej przyjazny dla sieci zasilającej w chwili załączania zapobiegając generacji zaburzeń związanych z prądem włączenia transformatora.
SPIS LITERATURY
[1] Polska norma PN-EN 62040-3:2005.: Systemy bezprzerwowego zasilania (UPS) Część 3: Metoda określania właściwości i wymagania dotyczące badań
[2] Lisowski P.: Zasilacze awaryjne UPS małej mocy – część I. Przegląd Telekomunikacyjny, nr 12/2005 [3] Lisowski P.: Zasilacze awaryjne UPS małej mocy –
część II. Przegląd Telekomunikacyjny, nr 1/2006 [4] Lisowski P.: Przerwy w zasilaniu odbiorników
w instalacjach z zasilaczami UPS małej mocy. Artykuł w przygotowaniu
[5] Mizia W.: Transformatory. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1998
[6] Lisowski P.: Charakterystyka właściwości zasilaczy UPS małej mocy. Materiały Konferencyjne PWT 2005, 8 – 9 grudnia 2005, str. 210 - 214
