minimalizacja zaburzeń załączania i przełączania w zasilaczach

2006
Przemysław Lisowski
Politechnika Poznańska
Wydział Elektroniki i Telekomunikacji
ul. Piotrowo 3A, 60-965 POZNAŃ
[email protected]
Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne
Poznań 7 - 8 grudnia 2006
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
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
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. 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
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.
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).
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
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 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
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
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
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.
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
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.
S1 S2
2
1
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
T2
układy
kontrolno-pomiarowe
[1] Polska
3
4
[2]
1 - filtr wejściowy
2 - filtr wyjściowy
3 - stopień mocy falownika
4 - akumulator
S1 - rozłącznik główny
S2 - rozłącznik szybki
T2 - transformator główny
Rys. 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.
[3]
[4]
[5]
[6]
norma PN-EN 62040-3:2005.: Systemy
bezprzerwowego zasilania (UPS) Część 3: Metoda
określania właściwości i wymagania dotyczące
badań
Lisowski P.: Zasilacze awaryjne UPS małej mocy –
część I. Przegląd Telekomunikacyjny, nr 12/2005
Lisowski P.: Zasilacze awaryjne UPS małej mocy –
część II. Przegląd Telekomunikacyjny, nr 1/2006
Lisowski P.: Przerwy w zasilaniu odbiorników
w instalacjach z zasilaczami UPS małej mocy.
Artykuł w przygotowaniu
Mizia
W.:
Transformatory.
Wydawnictwo
Politechniki Śląskiej, Gliwice 1998
Lisowski P.: Charakterystyka właściwości zasilaczy
UPS małej mocy. Materiały Konferencyjne PWT
2005, 8 – 9 grudnia 2005, str. 210 - 214