wzrost bezpieczeństwa energetycznego

dr inż. Karol BEDNAREK
EVER Sp. z o.o.
WZROST BEZPIECZEŃSTWA ENERGETYCZNEGO POPRZEZ
POPRAWĘ JAKOŚCI I PEWNOŚCI ZASILANIA ELEKTRYCZNEGO
STRESZCZENIE
W pracy zajęto się zagadnieniem bezpieczeństwa energetycznego o zasięgu lokalnym (w
mikroskali – bezpośrednio użytkowników energii elektrycznej), polegającego na poprawie
pewności i jakości zasilania elektrycznego. Rozważano wpływ systemu zasilania
gwarantowanego UPS na niezawodność i jakość napięcia dostarczanego do odbiorników, jak
również na poprawę współpracy odbiorników energii z siecią zasilającą. Omówiono
oddziaływania zaburzeń w sieciach elektroenergetycznych oraz znaczenie jakości energii w
zasilaniu urządzeń. Przeanalizowano i skomentowano rezultaty przeprowadzonych badań
fizycznych związanych z wprowadzeniem do układu zasilania odbiorników energii
elektrycznej systemu zasilania gwarantowanego UPS EVER POWERLINE GREEN 33.
Rozważania dotyczą: poprawy stabilności wartości napięcia wyjściowego UPS w stosunku do
zmian napięcia wejściowego (sieciowego) w stanach stabilnych, jak również przy nagłych,
skokowych zmianach wartości mocy załączanego obciążenia; wprowadzania symetryzacji
obciążenia faz sieci zasilającej mimo silnej niesymetrii podłączonych do UPS odbiorników;
zmniejszania odkształceń prądu pobieranego z sieci w stosunku do odkształceń prądu
pobieranego na wyjściu UPS przez odbiornik o silnej nieliniowości, a także selektywności
działania zabezpieczeń na liniach dystrybucji zasilania (jako efektu wysokiego prądu zwarcia
UPS). Ponadto zaprezentowano wyniki badań dodatkowej funkcjonalności UPS EVER
(zgłoszonej w Urzędzie Patentowym), jaką jest kompensacja mocy biernej (bez dołączania
dodatkowych urządzeń kompensujących).
WPROWADZENIE
Współczesne społeczeństwa funkcjonalnie w pełni uzależniły się od dostaw energii
elektrycznej. Wszelkie branże gospodarki, zarówno przemysł, cała sfera usług, jednostki
naukowe i administracyjne, jak również działalność prywatna człowieka związane są z
powszechnym
wykorzystaniem
elementów,
urządzeń
i
systemów
elektrycznych,
elektronicznych oraz informatycznych, dlatego pewność dostaw energii elektrycznej jest
priorytetowym zagadnieniem niezależnie od obszaru działalności człowieka.
Bezpieczeństwo energetyczne w makroskali (odpowiednio kraju bądź regionu) związane jest
nierozerwalnie z rynkami i gospodarką surowców energetycznych oraz z wytwarzaniem i
dystrybucją energii elektrycznej. W mikroskali (a zatem z punktu widzenia przedsiębiorstwa
lub ogólnie użytkowników) bezpieczeństwo energetyczne powiązane jest silnie z pewnością
zasilania elektrycznego oraz z jakością dostarczanej energii elektrycznej.
W wyniku masowego pojawienia się w użytkowaniu odbiorników o znacznych
nieliniowościach, jak również zawierających elementy zachowawcze (indukcyjności,
pojemności) w rezultacie wzajemnego oddziaływania elektromagnetycznego urządzeń
(zagadnienia kompatybilności elektromagnetycznej1) na odbiorniki energii mogą oddziaływać
zaburzenia, które z kolei mogą wywołać zakłócenia prawidłowości pracy urządzeń bądź
doprowadzać do ich awarii2. Szczególnej wagi nabiera zatem problematyka zapewnienia
prawidłowej, niezakłóconej pracy użytkowanych odbiorników energii.
Pewność i jakość zasilania elektrycznego można zwiększyć poprzez zastosowanie systemów
zasilania gwarantowanego z podwójnym przetwarzaniem energii (UPS on-line)3. Urządzenia
te (jako beztransformatorowe) nie wprowadzają separacji elektrycznej odbiorników od sieci
zasilającej, zapewniają natomiast separację energetyczną. Przy właściwie dobranych
systemach zasilania gwarantowanego umożliwia to poprawę jakości dostarczanej do
odbiorników
energii
elektrycznej,
eliminację
oddziaływania
sieciowych
zaburzeń
przewodzonych, podtrzymanie zasilania odbiorników w chwilach przerw w zasilaniu
sieciowym (stwarzające możliwość przeprowadzenia w określonym czasie bezpiecznego
zakończenia realizowanych procesów), osiągnięcie wzrostu niezawodności systemu zasilania
1
Charoy A., Compatibilite electromagnetique. Parasites et perturbations des electroniques. 1-4, Paris 1996.
Bednarek K., Kasprzyk L., Suppression of higher harmonic components introduction to the networks and
improvement of the conditions of electric supply of electrical equipment, “Przegląd Elektrotechniczny” 2012,
No 12b, s. 236-239.
3
Bednarek K., Jakość, pewność i właściwa konstrukcja układu zasilania a bezpieczeństwo urządzeń
elektrycznych, „Elektro.info” 2012, nr 12, s. 26-31.
2
(dodatkowo przez zastosowanie układów redundantnych) oraz ograniczenie negatywnego
oddziaływania odbiorników nieliniowych i niesymetrycznych na sieć zasilającą.
W niniejszej pracy zajęto się tematyką wzrostu bezpieczeństwa zasilania elektrycznego
poprzez poprawę pewności i jakości dostarczanej do odbiorników energii elektrycznej oraz
ograniczanie wprowadzania do sieci energetycznej zaburzeń generowanych przez odbiorniki
nieliniowe i niesymetryczne jako efektów zastosowania systemu zasilania gwarantowanego,
na przykładzie UPS EVER POWERLINE GREEN 33. Zamieszczono i skomentowano wyniki
zrealizowanych badań fizycznych: poprawy stabilności wartości napięcia wyjściowego UPS
w stosunku do wahań napięcia wejściowego (sieciowego), jak również przy nagłych
zmianach wartości mocy załączanego obciążenia, wprowadzenie równomierności obciążenia
faz sieci zasilającej mimo silnej niesymetrii podłączonych do UPS odbiorników, zmniejszenie
odkształceń prądu pobieranego z sieci w stosunku do odkształceń prądu pobieranego na
wyjściu UPS przez odbiornik o silnej nieliniowości oraz selektywność działania zabezpieczeń
na liniach dystrybucji zasilania (jako efektu wysokiego prądu zwarcia UPS). Zaprezentowano
również rezultaty badań dodatkowej funkcjonalności UPS EVER, jaką jest kompensacja
mocy biernej.
ODDZIAŁYWANIE ZABURZEŃ W SIECIACH ELEKTROENERGETYCZNYCH
Osprzęt elektryczny, elektroniczny czy informatyczny podlega ciągłemu burzliwemu
rozwojowi, w rezultacie czego wzrasta poziom zaawansowania technicznego urządzeń.
Stosuje się w nich coraz więcej elementów zachowawczych (biernych) oraz nieliniowych.
W trakcie ich funkcjonowania powstają stany nieustalone, efekty łączeniowe, odkształcenia
prądów i napięć, asymetrie obciążenia. Ma miejsce zdyskretyzowany, impulsowy pobór
energii. Powstają impulsowe zaburzenia przejściowe, wyższe harmoniczne prądów i napięć,
wahania wartości napięć, a zatem dochodzi do oddziaływania zaburzeń w rozgałęzionych
obwodach i sieciach elektrycznych. W efekcie tych oddziaływań może dochodzić do
zakłócania prawidłowego funkcjonowania urządzeń.
Mechanizm przenikania zaburzeń do obwodów elektrycznych nazywa się sprzężeniem.
W rezultacie oddziaływania sprzężeń (niepożądanych, pasożytniczych) indukcyjnych,
pojemnościowych bądź przez wspólną impedancję w obwodach sąsiednich mogą powstawać
(generować się) sygnały zaburzające. Do najczęściej występujących zaburzeń w sieciach
elektroenergetycznych należą:

zaniki napięcia (krótkotrwałe bądź długotrwałe),

wahania wartości napięcia (wzrosty lub zapady napięcia),

przepięcia (krótkotrwałe impulsy wysokonapięciowe),

wahania częstotliwości napięcia,

odkształcenia przebiegu napięcia (wyższe harmoniczne).
Ze względu na skalę wykorzystania w gospodarce oraz życiu prywatnym człowieka urządzeń
elektrycznych, elektronicznych i informatycznych, częste ich nagromadzenie w bliskim
otoczeniu oraz wzajemne oddziaływanie na siebie niezwykle istotnym problemem jest
zapewnienie prawidłowej, niezakłóconej pracy każdego z tych obiektów. W celu osiągnięcia
harmonijnego funkcjonowania poszczególnych urządzeń we wspólnym środowisku (przy
zasilaniu
ze
wspólnej
sieci)
w
procedurach
związanych
z
kompatybilnością
elektromagnetyczną ustalono dopuszczalne poziomy oddziaływań zarówno w zakresie
emisyjności (wprowadzania do środowiska), jak również odporności (ograniczonej
wrażliwości na oddziaływanie zaburzeń), jakie każdy z tych obiektów elektrycznych
i elektronicznych powinien spełniać4.
Oddziaływania zaburzeń związane są między innymi z jakością dostarczanej do odbiorników
energii elektrycznej. Zgodnie z zapisami IEC – ACEC (International Electrotechnical
Commission – Advisory Committee on Electromagnetic Compatibility): jakość energii
elektrycznej determinowana jest przez zbiór parametrów opisujących właściwości procesu
dostarczania energii do użytkownika w normalnych warunkach pracy, określających ciągłość
zasilania (długie i krótkie przerwy w zasilaniu) oraz charakteryzujących napięcie zasilania
(wartość, niesymetrię, częstotliwość, kształt przebiegu czasowego)5.
WAGA JAKOŚCI ENERGII W ZASILANIU URZĄDZEŃ
Jakość energii elektrycznej6 ma bezpośredni wpływ na prawidłowość funkcjonowania,
trwałość i bezpieczeństwo urządzeń, na powstające straty energetyczne, jak też na ciągłość
przetwarzania danych lub realizacji procesów produkcyjnych. Podstawowymi parametrami
determinującymi jakość energii (jak sprecyzowano wyżej) są: wartość i częstotliwość
napięcia, odkształcenia przebiegu napięcia, jak również ciągłość zasilania.
4
Bednarek K., Electromagnetic compatibility – the standard and legal problems, [w:] Computer applications in
electrical engineering, R. Nawrowski (red.), Poznań 2006, s. 89-105.
5
Hanzelka Z., Warecki J., Piątek K., Chmielowiec K., Zła jakość energii elektrycznej a zagrożenie pożarowe –
analiza przypadku, [w:] Ochrona przeciwpożarowa w instalacjach elektrycznych, (pr. zb), Warszawa 2012.
6
Bielecki S., Jakość energii elektrycznej na rynku energii, „Przegląd Elektrotechniczny” 2007, nr 7/8, s. 68-72.
Oddziałujące w obwodach elektrycznych i elektronicznych zaburzenia mogą zakłócać
prawidłową pracę urządzeń i wywoływać szereg niekorzystnych skutków, do których można
zaliczyć:

powstawanie dodatkowych strat mocy,

przegrzewanie się urządzeń,

uszkodzenia podzespołów elektrycznych lub elektronicznych,

utratę przetwarzanych informacji i danych,

powstawanie przestojów w pracy urządzeń (w wyniku awarii lub zadziałania
zabezpieczeń),

zakłócanie pracy oraz przedwczesne starzenie się osprzętu,

powstawanie dodatkowych drgań mechanicznych i nierównomierności pracy urządzeń
z masami wirującymi (silników, układów napędowych),

zmiany parametrów technicznych oraz sprawności odbiorników,

powstawanie zagrożeń pożarowych itp.
BEZPIECZEŃSTWO W MIKROSKALI – POPRAWA WARUNKÓW ZASILANIA
ELEKTRYCZNEGO
Pewność i jakość dostarczanej do odbiorników energii można zwiększyć za pomocą różnych
środków technicznych7. Szczególnie jest to istotne w przypadku zasilania tzw. odbiorników o
znaczeniu strategicznym, czyli takich, w których nawet krótkotrwałe przerwy w zasilaniu
bądź nieprawidłowości parametrów napięcia zasilającego, a także oddziaływanie zaburzeń
sieciowych mogą doprowadzić do utraty przetwarzanych informacji i danych, nagłego
niekontrolowanego przerwania procesów technologicznych (prowadzącego często do
powstania dotkliwych strat ekonomicznych) albo do wystąpienia zagrożeń dla zdrowia lub
życia ludzi.
Jednym z bardzo korzystnych sposobów poprawy jakości i pewności zasilania elektrycznego
jest wykorzystanie systemów zasilania gwarantowanego z podwójnym przetwarzaniem
energii (UPS on-line)8. Dzięki ich właściwemu zastosowaniu osiąga się:

poprawę wartości, częstotliwości i kształtu napięcia dostarczanego do zabezpieczanych
odbiorników, co korzystnie wpływa na ich warunki funkcjonowania,
7
Pasko M., Lange A., Kompensacja mocy biernej i filtracja wyższych harmonicznych za pomocą filtrów
biernych LC, „Przegląd Elektrotechniczny” 2010, nr 4, s. 126-129.
8
Bednarek K., Kasprzyk L., Suppression..., op.cit.

wyeliminowanie oddziaływania przenoszonych przez przewodzenie zaburzeń sieciowych
(powstających w wyniku podłączenia do wspólnej sieci przez innych odbiorców obciążeń
nieliniowych, niesymetrycznych bądź wielokrotnie przełączanych),

wzrost pewności, niezawodności dostarczania do odbiorników energii elektrycznej o
określonej jakości (również w przypadkach zaników zasilania sieciowego); dodatkowe
zwiększenie niezawodności układu zasilania można osiągnąć przez zastosowanie
systemów redundantnych (nadmiarowych w stosunku do tego, co jest konieczne),

zmniejszenie niekorzystnego oddziaływania odbiorników o silnych nieliniowościach bądź
niesymetriach na sieć elektroenergetyczną i pracujące w niej inne urządzenia odbiorcze.
Wszystkie te elementy wpływają bezpośrednio na poprawę jakości i niezawodności zasilania
elektrycznego zabezpieczanych odbiorników, a zatem na poprawę bezpieczeństwa
energetycznego w mikroskali (odbiorców energii).
SYSTEMY ZASILANIA GWARANTOWANEGO
Zasadniczą funkcją systemów zasilania gwarantowanego UPS (Uninterruptible Power
Systems)9 jest dostarczenie energii elektrycznej do zasilanych odbiorników w określonym
czasie w przypadku zaniku lub nieprawidłowości napięcia sieciowego, jak również poprawa
parametrów i w ogóle jakości zasilania elektrycznego. Realizację tak postawionych zadań
uzyskuje się w rezultacie bieżącego monitorowania stanu napięcia sieciowego oraz takiego
zarządzania energią z sieci, blokami funkcjonalnymi zasilacza UPS i energią zgromadzoną w
akumulatorach, aby zapewnić jak najkorzystniejsze warunki zasilania zabezpieczanych
odbiorników, a w przypadku zaniku lub nieprawidłowości napięcia sieciowego podtrzymać
zasilanie odbiorników w określonym czasie, umożliwiającym bezpieczne zakończenie
realizowanych procesów10. Ogranicza się w ten sposób powstawanie stanów awaryjnych
odbiorników, jak również straty ekonomiczne i zasobowe wynikające z niekontrolowanego
przerwania funkcjonowania urządzeń lub realizowanych procesów technologicznych bądź
utraty przetwarzanych informacji.
W zależności od poziomu zaawansowania technicznego, spełnianych funkcji, a zatem
rozwiązań konstrukcyjnych wśród układów zasilania gwarantowanego UPS rozróżnia się
systemy:
9
Wiatr J., Miegoń M., Zasilacze UPS oraz baterie akumulatorów w układach zasilania gwarantowanego, seria
Zeszyty dla elektryków - nr 4, Warszawa 2008.
10
Bednarek K., Jakość..., op.cit.

VFD (Voltage Frequency Dependent) – off-line,

VI (Voltage Independent) – line interactive,

VFI (Voltage Frequency Independent) – on-line.
Zasilacze VFD oraz VI stosowane są do zasilania urządzeń mniejszych mocy. W przypadku
prawidłowości (występowania dopuszczalnych zmian) napięcia wejściowego realizowany jest
tryb normalny (sieciowy), podczas którego odbiorniki zasilane są niekondycjonowanym
napięciem sieciowym (w układach VI korygowana jest wartość napięcia). Podczas zaników
bądź nieprawidłowości napięcia sieciowego zasilacz przechodzi do trybu rezerwowego
i zasila zabezpieczane odbiorniki dzięki energii zgromadzonej w akumulatorach. Czas
przełączania z pracy sieciowej na rezerwową jest krótki (rzędu kilku milisekund), co
w większości przypadków nie jest uciążliwe dla pracy odbiorników. W sytuacjach zasilania
odbiorników szczególnie wrażliwych nawet na bardzo krótkotrwałe przerwy w zasilaniu
zaleca się zastosowanie UPS VFI.
W zasilaczach VFI (on-line) wejście UPS zasilane jest z sieci elektroenergetycznej (rys. 1).
Występuje w nich podwójne przetwarzanie energii.
Rys. 1. Schemat blokowy zasilacza UPS VFI (on-line)
Przemienne napięcie sieciowe w blokach wejściowych przetwarzane jest na napięcie stałe. Za
pomocą magistrali napięcia stałego z obwodu stałonapięciowego dostarczane jest ono na
wejście falownika, gdzie zostaje przetworzone na napięcie przemienne o ściśle
kontrolowanych parametrach i dostarczone do zabezpieczanych odbiorników energii (tryb
pracy normalny). Jednocześnie część energii z obwodu stałonapięciowego dostarczana jest do
układu akumulatorów. Dzięki temu baterie utrzymywane są w stanie pełnego naładowania
(mimo nieznacznego ubytku energii występującego w procesie samorozładowania).
W przypadku zaniku napięcia sieciowego bądź nieprawidłowości jego parametrów (gdy
wartość lub częstotliwość wykraczają poza założone, tolerowane zakresy) zabezpieczane
odbiorniki zasilane są bezprzerwowo napięciem o wzorcowych parametrach dzięki energii
zgromadzonej w akumulatorach (zasobnikach energii). Realizowany jest wówczas tryb
zasilania bateryjny (rezerwowy). Czas podtrzymania zasilania zależy od ilości zgromadzonej
energii (zastosowanych zasobników – modułów bateryjnych), od podłączonego na wyjściu
obciążenia, w pewnym stopniu również od parametrów środowiskowych (temperatury,
wilgotności) i powinien zostać tak dobrany, aby bezpiecznie zakończyć realizowane procesy
w zasilanych odbiornikach i dokonać ich kontrolowanego wyłączenia.
WYNIKI BADAŃ
W celu wykazania i zobrazowania poprawy warunków pracy odbiorników energii
elektrycznej oraz sieci zasilającej współpracujących z systemem zasilania gwarantowanego
(UPS) przeprowadzono badania wybranego układu fizycznego. Dokonano pomiarów napięć,
prądów,
mocy,
współczynników
THDi,
THDu
oraz
zawartości
poszczególnych
harmonicznych napięcia od strony zasilania sieciowego i na wyjściu UPS przy zmianach
mocy oraz charakteru obciążenia (nieliniowość, symetria sygnału) i przeanalizowano
uzyskane rezultaty. Rozważano wpływ systemu UPS on-line na poprawę bezpieczeństwa
energetycznego lokalnego odbiorcy energii, jak również ograniczenie negatywnych
oddziaływań elementów odbiorczych na sieć energetyczną.
Obiektem badań był UPS EVER POWERLINE GREEN 33 o parametrach:
•
Fazowość zasilania we/wy
3/3
•
Moc wyjściowa
40 kVA / 32 kW
•
Napięcie wejściowe
173 ÷ 485 V ± 2%
•
Napięcie wyjściowe
3 x 400 V ± 2%
•
Częstotliwość napięcia wejściowego
45 ÷ 55 Hz ± 1 Hz
•
Częstotliwość napięcia wyjściowego
50 Hz ± 0,1 Hz / synchronicznie
•
Współczynnik mocy PF
> 0,99
Podczas realizowanych badań obserwowano zachowanie się sygnału napięciowego na
wyjściu UPS EVER POWERLINE GREEN 33 (zasilającego odbiorniki) przy powstawaniu
stabilnych zmian wartości, krótkotrwałych zapadów oraz zaników napięcia sieciowego
(zasilającego UPS). UPS wyeliminował oddziaływanie zaburzeń napięcia sieciowego na
zasilane odbiorniki. Niezależnie od warunków zasilania na wejściu UPS (sieciowego) zasilacz
dostarczał do odbiorników napięcie stabilne, o sinusoidalnym kształcie i pomijalnie małej
zawartości harmonicznych.
Następnie przeprowadzono badanie wpływu zmian podłączanego obciążenia (stan stabilny dla
bardzo małego obciążenia oraz dla obciążenia znamionowego) na wartość napięcia
zasilającego UPS oraz napięcia dostarczanego do odbiorników. Wyniki zrealizowanych
pomiarów zamieszczono na rys. 2.
a) wejście UPS (sieć elektroenergetyczna)
– stan jałowy
– obciążenie znamionowe
b) wyjście UPS (obwód obciążenia)
– stan jałowy
– obciążenie znamionowe
Rys 2. Zmiana wartości napięcia odpowiednio na wejściu (a) oraz na wyjściu (b) UPS w stanie
jałowym oraz przy obciążeniu znamionowym
Wartość skuteczna napięcia wejściowego UPS (sieciowego) zależna była od obciążenia –
wynosiła odpowiednio 227,1 V oraz 220,0 V przy zmianach obciążenia z jałowego na
znamionowe, czyli zmieniła się o 7,1 V. Wartość napięcia wyjściowego UPS (dostarczanego
do odbiorników) utrzymywała się niezmiennie w wąskim zakresie: od 232,0 V do 230,9 V,
czyli uległa zmianie tylko o 1,1 V. Przy podobnych pomiarach UPS EVER w nieco innych
warunkach różnica wartości napięcia na wejściu (sieciowego) wynosiła kilkanaście V,
natomiast napięcie wyjściowe utrzymywało się w analogicznym zakresie, jak we wcześniej
opisanych badaniach11. Wynika to z budowy i własności funkcjonalnych UPS on-line, który
wytwarza stabilne napięcie niezależne od jakości dostarczonej energii elektrycznej.
Przeprowadzono również badania przejściowych (chwilowych) zmian napięcia wyjściowego
UPS (zasilającego odbiorniki) w trakcie dynamicznych, skokowych zmian obciążenia z
jałowego do znamionowego oraz ze znamionowego na jałowe. Próba odbywała się przy
trudnych warunkach pracy dla UPS, ponieważ oprócz nagłej pełnej zmiany obciążenia
odbywało się to przy skrajnej niesymetrii obciążenia faz zasilacza – miało miejsce pełne
obciążanie jednej fazy, a pozostałe dwie nie były obciążane w ogóle. Wyniki uzyskanych
pomiarów zamieszczono na rys. 3.
a)
b)
Rys. 3. Zmiana wartości napięcia na wyjściu UPS podczas skokowej zmiany obciążenia: od
minimalnego do znamionowego (a) oraz od znamionowego do minimalnego (b), przy
niesymetrycznym obciążeniu faz ( Imax = 42 A; faza L1 )
Podczas skokowych zmian obciążenia fazy L1 od 0 W do wartości znamionowej oraz od
znamionowego do 0 W chwilowe zmiany wartości amplitudy napięcia nie przekraczały 12 V
(przy dopuszczalnej normatywnie zmianie o 32 V). UPS w niekorzystnych stanach
przejściowych (dynamicznych zmian obciążenia) utrzymywał bardzo stabilne napięcie
dostarczane do odbiorników, umożliwiając im niezakłócone, prawidłowe funkcjonowanie.
11
Bednarek K., Kasprzyk L., Suppression...,
op.cit.
Jednym z bardzo istotnych elementów prawidłowości zasilania elektrycznego odbiorników
jest kształt dostarczanego napięcia. Odkształcenia przebiegu napięciowego niekorzystnie
wpływają na pracę urządzeń. Mogą powodować powstawanie dodatkowych strat mocy,
przegrzewanie się podzespołów oraz przewodów neutralnych, przedwczesne starzenie się
urządzeń, wadliwe funkcjonowanie osprzętu elektrycznego itp. Z tych względów jako kolejny
element analiz przeprowadzono badania kształtu napięcia na wejściu i wyjściu UPS EVER
POWERLINE GREEN 33 oraz zawartości harmonicznych w tych przebiegach, jak również
całkowitych współczynników zniekształceń (współczynnik zawartości harmonicznych)
napięcia THDu. Wyniki zrealizowanych pomiarów zamieszczono na rys. 4.
a) wejście UPS
– kształty przebiegów napięcia i prądu
– widmo harmonicznych napięcia oraz THD
b) wyjście UPS
– kształty przebiegów napięcia i prądu
– widmo harmonicznych napięcia oraz THD
Rys. 4. Kształt oraz harmoniczne napięć odpowiednio na wejściu (a) oraz na wyjściu (b) UPS przy
obciążeniu niesymetrycznym i nieliniowym
Dokonując analizy kształtu napięcia wejściowego (sieciowego) zauważyć można, że
występują w nim pewne nierównomierności, spłaszczenia szczytów sinusoidy. Współczynnik
zniekształceń tego napięcia wynosi 2,1%. Napięcie wyjściowe UPS (doprowadzane do
odbiorników) ma regularny, sinusoidalny kształt, a jego współczynnik THDu wynosi 0,7%,
jest trzykrotnie mniejszy niż napięcia wejściowego.
Dodać należy, że odbywa się to przy niesymetrycznym i nieliniowym obciążeniu UPS –
odbiornik załączony jest tylko w jednej fazie, a prąd pobierany jest półokresowo. Zasilacz
UPS dokonuje symetryzacji zasilania – równomiernie są obciążane wszystkie fazy sieci
zasilającej, co bardziej szczegółowo przedstawiono na rys. 5.
a) wejście UPS
– wartości prądów, napięć i mocy
– przebiegi czasowe prądów fazowych
b) wyjście UPS
– wartości prądów, napięć i mocy
– przebiegi czasowe prądów fazowych
Rys. 5. Parametry zasilania oraz kształt prądu odpowiednio na wejściu (a) oraz na wyjściu (b) UPS
przy podłączeniu obciążenia niesymetrycznego i nieliniowego
Na rys. 5b zamieszczono wyniki badań parametrów elektrycznych na wyjściu UPS oraz
kształtu prądu pobieranego przez odbiornik. Zauważyć można, że prąd płynie tylko w fazie
L1 i pobierany jest półokresowo (występują zatem silne odkształcenia prądu obciążenia z
uwagi na charakter załączonego odbiornika). UPS z sieci zasilającej pobiera natomiast prąd
trójfazowo (rys. 5a). Poszczególne fazy zasilania sieciowego obciążone są równomiernie
(prądy mają wartości około 3 A). Ma zatem miejsce symetryzacja prądu pobieranego przez
UPS z sieci, podczas niesymetrycznego i nieliniowego obciążania zasilacza przez odbiornik.
W systemach zasilania gwarantowanego na wyjściu zasilacza UPS odbiorniki mogą być
pogrupowane w kilka linii, w których stosowane są dodatkowo zabezpieczenia liniowe
(zwarciowe i przeciążeniowe), co przedstawiono na rys. 6. Jeśli wystąpi zwarcie (stan
awaryjny) w odbiorniku jednej z zasilanych linii, wówczas w przypadku niskiego prądu
zwarcia zasilacza UPS może on przejść w stan awaryjny i odłączyć zasilanie od wszystkich
linii. W takiej sytuacji wszystkie odbiorniki nagle, niekontrolowanie przestałyby pracować, co
mogłoby pociągnąć za sobą niekorzystne (opisane wcześniej) konsekwencje.
Rys. 6. Przykładowe rozwiązanie połączeń UPS z liniami zasilanych odbiorników, z zastosowaniem
bezpieczników liniowych
Badany zasilacz UPS EVER POWERLINE GREEN 33 ma duży prąd zwarcia. W chwili
wystąpienia zwarcia w jednej z linii duży prąd zasilacza powoduje zadziałanie bezpiecznika
liniowego (w torze, w którym wystąpiło zwarcie) i odłączenie tylko tej części obwodu, a
odbiorniki w pozostałych liniach zasilane są nieprzerwanie przez UPS. Na rysunku 5
przedstawiono
przebiegi
prądów
zwarciowych
odpowiednio
przy
zastosowaniu
bezpieczników liniowych B16 oraz B32. Czas usuwania zwarcia (zadziałania bezpiecznika
liniowego) w przeprowadzonych próbach w przypadku bezpiecznika B16 wyniósł 1,9 ms,
natomiast podczas zastosowania bezpiecznika B32 wyniósł 3,9 ms (rys. 7). Przebiegi prądów
i czasy likwidacji zwarcia będą różne w zależności od chwili wystąpienia stanu zwarcia
(wartości chwilowej napięcia, przy której miało miejsce zwarcie). Po zadziałaniu
bezpieczników UPS EVER POWERLINE GREEN 33 nadal zasilał pozostałe linie
(zabezpieczane odbiorniki).
a) dla bezpiecznika B16
b) dla bezpiecznika B32
Rys. 7. Przebiegi liniowych prądów zwarciowych zarejestrowane podczas badań stanu zwarcia
w jednej z linii, przy zastosowaniu bezpieczników B16 oraz B32
Szczególną dodatkową funkcjonalnością, zgłoszoną w Urzędzie Patentowym, zastosowaną w
UPS EVER POWERLINE GREEN 33 jest kompensacja mocy biernej (bez stosowania
dodatkowych urządzeń kompensujących)12. Polega ona na takim zarządzaniu prądem
pobieranym z sieci energetycznej przez układy wejściowe UPS, że następuje pełna
kompensacja mocy biernej pobieranej przez zasilacz z sieci. Na rys. 8a przedstawiono
rezultaty pomiarów mocy, prądów i napięć na wejściu po załączeniu UPS. Obwody
wejściowe UPS pobierają moc bierną pojemnościową o wartości 1,7 kvar. Po wprowadzeniu
kompensacji mocy biernej przez UPS (rys. 8b) pobierana moc bierna zmienia charakter na
indukcyjny (taką mocą w pewnym zakresie można obciążać sieć) i osiąga wartość 0,03 kvar.
Zwarzywszy na fakt, że UPS on-line pracuje często całodobowo oraz że opłaty za
ponadumowny pobór mocy biernej są nawet 3-krotnie wyższe od opłat za pobór mocy
czynnej (użytecznej), można łatwo oszacować oszczędności finansowe, wynikające z
kompensacji mocy biernej, osiągane przez użytkownika miesięcznie bądź w skali roku. Są to
12
Bednarek K., Kompensacja mocy biernej i praca hybrydowa w systemach zasilania gwarantowanego (UPS),
„Academic Journals, Electrical engineering, Poznan Uniwersity of Technology” 2013, nr 74, s. 33-41.
znaczące kwoty, co dla przedsiębiorstw ma zawsze istotne znaczenie. Dzięki kompensacji
mocy biernej osiąga się dodatkowe korzyści w postaci odblokowania możliwości
przesyłowych energii użytecznej (czynnej) za pomocą istniejących urządzeń przesyłowych.
Istnieje również możliwość wprowadzenia kompensacji mocy biernej przez UPS urządzeń
załączonych równolegle z zasilaczem do wspólnej sieci zasilającej (bez dołączania
dodatkowych urządzeń kompensacyjnych).
a) przed kompensacją
b) po kompensacji
Rys. 8. Rezultaty pomiarów związanych z kompensacją mocy biernej
UWAGI I WNIOSKI
 Ze względu na poziom uzależnienia gospodarki (jak również działalności prywatnej
człowieka)
od
dostaw
energii
elektrycznej
zagadnienia
bezpieczeństwa
energetycznego należą do grupy problemów o najwyższym priorytecie zarówno
w makroskali (w zakresie kraju bądź regionu), jak również w mikroskali
(bezpośrednio dla przedsiębiorstw czy użytkowników).
 Przeprowadzone badania sygnału napięciowego na wyjściu UPS EVER POWERLINE
GREEN 33 (zasilającego odbiorniki) przy powstawaniu stabilnych zmian wartości,
krótkotrwałych zapadów oraz zaników napięcia sieciowego (zasilającego UPS)
wykazały jednoznacznie, że UPS wyeliminował oddziaływanie zaburzeń napięcia
sieciowego na zasilane odbiorniki.
 Przy dynamicznych (skokowych) zmianach obciążenia od stanu jałowego (brak
obciążenia) do wartości znamionowej oraz od znamionowego do jałowego chwilowe
(przejściowe) zmiany wartości amplitudy napięcia dostarczanego do odbiorników
przez UPS były znikomo małe (kilkakrotnie niższe od dopuszczalnych w normach).
 Analiza napięć na wyjściu UPS (zasilania odbiornika) oraz na wejściu zasilacza
(dostarczanego z sieci) wykazała, że UPS znacznie poprawił kształt i parametry
napięcia zasilającego odbiorniki (w stosunku do zasilania sieciowego).
 Zarówno symetryzacja obciążenia sieci elektroenergetycznej przez UPS przy
niesymetrycznym obciążeniu faz zasilacza trójfazowego, jak również funkcja
kompensacji mocy biernej pozytywnie wpływają na sieć elektroenergetyczną,
a jednocześnie przynoszą wymierne, korzystne efekty (oszczędności finansowe) dla
odbiorcy energii (użytkownika).
 Przeprowadzone badania wykazały, że system zasilania gwarantowanego UPS VFI
(on-line), poza bezprzerwowym
dostarczeniem energii, umożliwia zasilenie
odbiorników napięciem o korzystniejszych, ściśle kontrolowanych parametrach
(niezależnie
od
nieprawidłowości
występujących
w
napięciu
sieciowym),
a jednocześnie ograniczenie negatywnego oddziaływania odbiorników nieliniowych
i niesymetrycznych na sieć elektroenergetyczną, co ewidentnie przyczynia się do
poprawy bezpieczeństwa energetycznego w mikroskali.
Literatura
1. Bednarek K., Electromagnetic compatibility – the standard and legal problems, [w:] Computer applications in
electrical engineering, R. Nawrowski (red.), Poznań 2006, s. 89-105.
2. Bednarek K., Jakość, pewność i właściwa konstrukcja układu zasilania a bezpieczeństwo urządzeń
elektrycznych, „Elektro.info” 2012, nr 12, s. 26-31.
3. Bednarek K., Kompensacja mocy biernej i praca hybrydowa w systemach zasilania gwarantowanego (UPS),
„Academic Journals, Electrical engineering, Poznan Uniwersity of Technology” 2013, nr 74, s. 33-41.
4. Bednarek K., Kasprzyk L., Suppression of higher harmonic components introduction to the networks and
improvement of the conditions of electric supply of electrical equipment, “Przegląd Elektrotechniczny” 2012,
No 12b, s. 236-239.
5. Bielecki S., Jakość energii elektrycznej na rynku energii, „Przegląd Elektrotechniczny” 2007, nr 7/8, s. 68-72.
6. Charoy A., Compatibilite electromagnetique. Parasites et perturbations des electroniques. 1-4, Paris 1996.
7. Hanzelka Z., Warecki J., Piątek K., Chmielowiec K., Zła jakość energii elektrycznej a zagrożenie pożarowe –
analiza przypadku, [w:] Ochrona przeciwpożarowa w instalacjach elektrycznych, (pr. zb), Warszawa 2012.
8. Pasko M., Lange A., Kompensacja mocy biernej i filtracja wyższych harmonicznych za pomocą filtrów
biernych LC, „Przegląd Elektrotechniczny” 2010, nr 4, s. 126-129.
9. Wiatr J., Miegoń M., Zasilacze UPS oraz baterie akumulatorów w układach zasilania gwarantowanego, seria
Zeszyty dla elektryków - nr 4, Warszawa 2008.
Publikacja: Bezpieczeństwo energetyczne. Rynki surowców i energii – teraźniejszość i przyszłość,
tom 2. Technologia – Prawo – Ochrona środowiska, praca zbiorowa pod redakcją P. Kwiatkiewicza,
Fundacja na rzecz Czystej Energii, Poznań 2014, s. 85-104.
Nota biograficzna: dr inż. Karol Bednarek
Absolwent Wydziału Elektrycznego Politechniki Poznańskiej. Od 1990 r. pracownik
naukowo-dydaktyczny Instytutu Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej (IEEP)
Politechniki Poznańskiej. W latach 2001-2008 zastępca Dyrektora IEEP. Prowadził i nadal
realizuje prace teoretyczne oraz badawcze w zakresie elektrotechniki, elektroniki
motoryzacyjnej, kompatybilności elektromagnetycznej oraz pomiarów i oddziaływań pól
elektromagnetycznych na urządzenia techniczne i organizmy żywe. Od 2011 r. konsultant
techniczny firmy EVER Sp. z o.o., znanego polskiego producenta systemów zasilania
gwarantowanego, a od stycznia 2013 r. kierownik Działu Wsparcia Technicznego firmy
EVER Sp. z o.o.