w w w. e l e k t r o . i n f o . p l

n r 1 2 / 2 0 0 5

j a k o ś ć e n e r g i i e l e k t r y c z n e j

34

j a k o ś ć e n e r g i i e l e k t r y c z n e j

ochrona czułych instalacji

w sektorze usług i przemyśle

przed zakłóceniami napięcia i harmonicznymi

mgr inż. Bogdan Graniszewski – EST Energy Sp. z o.o.

W

zrastający stopień skompliko-
wania urządzeń sektora infor-

matycznego (IT) i systemów automa-
tyki w przemyśle jest połączony z co-
raz wyższymi oczekiwaniami w zakre-
sie takich parametrów, jak np. szyb-
kość przetwarzania danych, transmi-
sji i łączeń telekomunikacyjnych, bez-
przerwowe działanie i automatyczne
przełączanie. Osiąganie coraz wyż-
szych poziomów tych parametrów po-
woduje jednocześnie zwiększoną po-
datność systemów na problemy zwią-
zane z jakością i ciągłością zasilania.

zasilanie energią

elektryczną i związane

z tym problemy

Energia elektryczna jest dostarcza-

na odbiorcom w formie napięcia prze-
miennego o jedno- i trójfazowych si-
nusoidalnych przebiegach charakte-
ryzowanych m.in. przez określone
parametry: częstotliwość, amplitu-
dę, czy kształt (zawartość wyższych
harmonicznych). Jakkolwiek napięcie
wytwarzane w elektrowni jest prawie
idealne, nie można tego powiedzieć
o tym, które dociera do użytkownika,
gdzie mamy do czynienia z różnymi
zakłóceniami, m.in:



impulsami i przepięciami,



spadkami napięć,



wahaniami częstotliwości,



przerwami w zasilaniu.

Wizualizacja typowych zakłóceń

napięcia, mających istotny wpływ na
pracę zasilanych urządzeń, przedsta-
wiona jest na

fotografii 1.

Źródłami zakłóceń są zdarzenia

występujące podczas przesyłu i dys-
trybucji energii, spowodowane czyn-
nikami atmosferycznymi (burze, opa-

dy, mróz, wiatr itp.), czynnościami łą-
czeniowymi oraz wpływem otocze-
nia elektrycznego (anomalie w pra-
cy urządzeń dużej mocy, działanie
innych odbiorników o niesinuso-
idalnym poborze prądu, awarie sieci
itp.). Dlatego, mimo ciągłego udosko-
nalania sieci dystrybucyjnej i jakości
dostarczanego „produktu”, jakim jest
energia elektryczna, zakłócenia poja-
wiają się i ich całkowite wyelimino-
wanie nie jest technicznie możliwe.

wpływ problemów

zasilania na urządzenia

W zawrotnym tempie rośnie stopień

złożoności i nowoczesności rozwiązań
informatycznych oraz automatyki, dzię-
ki czemu rośnie wydajność procesów,
które opierają się na ich działaniu. Wy-
maga to stosowania coraz wyższej kla-
sy komputerów i urządzeń automaty-
ki przemysłowej i powoduje, że konse-
kwencje bezpośrednie i pośrednie spo-
wodowane zakłóceniami zasilania sta-
ją się coraz bardziej dotkliwe finanso-
wo. Są przyczyną strat w przychodach
z usług, produkcji, powodują pogorsze-
nie jakości wytwarzanych dóbr, jak rów-
nież ryzyko dla ludzi i mienia. W skraj-
nych przypadkach zdarza się, że zagro-
żone jest nawet istnienie przedsiębior-
stwa, ponieważ badania pokazały, że po-
łowa firm o wysokim stopniu informa-
tyzacji i zautomatyzowania nie ma szans
przetrwać poważnej i długotrwałej awa-
rii swojego systemu informatycznego.

Ostatnie badania w sektorze IT

w Wielkiej Brytanii prowadzone przez

National Computing Center

szacowa-

ły średnie straty awarii elektrycznych
jako wyższe niż powodowane wyła-
dowaniami atmosferycznymi lub kra-

dzieżami. Wyni-
ka to z faktu, że
np. ścieżki do-
stępu w serwe-
rach większości
systemów sie-
ciowych są dla
łatwości dostę-
pu umieszcza-
ne w pamięci
RAM. Ułamek
sekundy prze-
rwy w zasilaniu
może je całkowi-
cie usunąć. Śro-
dowisko UNIX
wymaga, aby
wszystkie pli-
ki systemowe były stale otwarte w pa-
mięci RAM. Nawet chwilowa przerwa
w zasilaniu może spowodować koniecz-
ność ponownej instalacji systemu oraz
aplikacji.

Zabezpieczenie serwerów UPS-ami

to konieczna, ale jednak tylko pierw-
sza linia obrony. Przed zanikami napię-
cia należy zabezpieczać również stacje
robocze. Mniej widoczne, ale bardziej
dotkliwe są straty spowodowane szyb-
szym zużyciem urządzeń i obniżeniem
ich niezawodności. Niektórzy producen-
ci urządzeń informatycznych i automa-
tyki, doceniając wagę problemu, udziela-
ją rabatów na kontrakty serwisowe, jeśli
klienci zabezpieczają je UPS-ami.

zabezpieczenia wewnętrzne

Niektóre urządzenia mają wbudo-

wane zabezpieczenia wewnętrzne, ale
często ograniczają się one do typowych
i najczęstszych zjawisk, czyli spadków
napięć i krótkich przerw z wykorzysta-
niem akumulatorów lub kondensato-

rów. Rozwiązania w urządzeniach co-
dziennego użytku są relatywnie nie-
efektywne i polegają na zadziałaniu lub
zniszczeniu zabezpieczającego urządze-
nia (bezpiecznik), ich wyłączeniu lub za-
bezpieczeniu istotnych danych. Rzad-
ko pozwalają na kontynuowanie nor-
malnej pracy.

Aby móc kontynuować pracę w przy-

padkach zaników dłuższych niż 20 ms,
należy korzystać z zastępczego źródła
energii zgromadzonej np. w bateriach
lub systemach rotacyjnych. Należy zwró-
cić uwagę, że dzisiaj tylko te dwa sposo-
by pozwalają na łatwe magazynowanie
energii, aby zastąpić źródło energii więk-
szej niż kilkaset watów. Ogniwa paliwo-
we, superkondensatory czy mikroturbi-
ny gazowe nie wyszły jeszcze z faz pro-
jektowych lub prób technologicznych.

Stosuje się również zabezpieczenia

przez odpowiednie oprogramowanie,
ale ograniczają się one do sprzętu in-
formatycznego, telekomunikacyjnego
i sterowania procesami technologicz-
nymi. Ich działanie polega na ogra-

Fot. 1 Od góry: odkształcenia spowodowane wyższymi har-

monicznymi, wahania amplitudy, wahania częstotliwo-

ści, mikroprzerwy (t

<

10 ms), zaniki napięcia, przebieg

pożądany – idealna sinusoida

w w w. e l e k t r o . i n f o . p l

n r 1 2 / 2 0 0 5

35

niczaniu lub eliminowaniu skutków
awarii poprzez:



systematyczne i regularne zapisy-

wanie danych na nośnikach nie-
wrażliwych na zakłócenia,



automatyczne procedury zamyka-

nia i restartu,



monitorowanie zasilania w celu

wykrycia zakłóceń i ostrzeganie
obsługi lub wznawianie przerwa-
nych procedur, a nawet podejmo-
wanie decyzji o odrzuceniu partii
produkcyjnej.
Należy zwrócić uwagę, że te meto-

dy wymagają dodatkowych progra-
mów, pamięci i nie zapobiegają za-
trzymaniu aplikacji na minutę lub
dłużej.

zabezpieczenia

scentralizowane

Kiedy urządzenie nie posiada wbu-

dowanego zabezpieczenia lub jest ono
zbyt kosztowne, aby w nie wyposażyć
każde urządzenie, stosuje się dodat-
kowe zabezpieczenia do podłączenia
między źródło napięcia i odbiornik
lub grupę odbiorników:



filtry

Jest to najprostsze rozwiązanie i za-

bezpiecza przed zakłóceniami magne-
tycznymi, radioelektrycznymi lub at-
mosferycznymi (może być połączo-
ne z zabezpieczeniem odgromowym).
Nie zapobiega skutkom spadków na-
pięć, wahań częstotliwości ani peł-
nych zaników.



transformatory izolacyjne
Transformatory z ekranem elektro-

statycznym ograniczają zaburzenia
wysokiej częstotliwości. Stopień tłu-
mienia zależy od jakości projektu i wy-

konania transformatora. Ograniczają
prądy upływu poprzez zamknięcie ich
w uzwojeniu wtórnym. Odpowiednie
układy połączeń w transformatorach
trójfazowych dodatkowo eliminują
trzecią harmoniczną oraz jej wielo-
krotności po stronie pierwotnej.



regulatory napięcia
Regulator napięcia (ferrorezonanso-

wy lub elektromechaniczny) utrzymu-
je napięcie wyjściowe na stałym pozio-
mie niezależnie od wahań napięcia wej-
ściowego. Kryteria oceny regulatorów
to: zakres regulacji napięcia, szybkość
i elastyczność regulacji. Często stosu-
je się kombinację transformatora izola-
cyjnego oraz regulatora napięcia. Łączy
on zalety obu urządzeń i jest nazywany
regulatorem sieciowym. Takie układy
wciąż nie usuwają problemów związa-
nych z zanikami napięcia na dłużej niż
10 ms, wahaniami częstotliwości oraz
stanami nieustalonymi.



zasilacze prądu stałego

Takie rozwiązania są stosowane

w systemach bezpieczeństwa, teleko-
munikacyjnych oraz zasilania stycz-
ników i przekaźników. Składają się
z układów prostownikowych oraz ele-
mentów magazynujących energię, np.
kondensatory dla czasów poniżej 1 s
lub zestawy akumulatorów dla dłuż-
szych czasów. Układy tego rodzaju są
stosunkowo proste i tanie, ale w przy-
padkach scentralizowanych zabezpie-
czeń wymagają oddzielnych instalacji
obwodów stałoprądowych.



rozwiązania rotacyjne
Istnieją różne rozwiązania tego

typu, ale wszystkie są zbudowane
w układzie

silnik – agregat prądo-

twórczy zasilający zabezpieczane ob-
wody. Nazywane są potocznie dyna-

Rys. 1 Schemat blokowy UPS-a klasy VFI (Voltage and Frequency Independent)

(według wcześniejszej klasyfikacji on-line lub podwójnej konwersji)

w w w. e l e k t r o . i n f o . p l

n r 1 2 / 2 0 0 5

j a k o ś ć e n e r g i i e l e k t r y c z n e j

36

micznymi i najczęściej wykorzystywa-
ne w dużych instalacjach przemysło-
wych (powyżej 500 kVA). Ich zalety to:
wysoki prąd zwarciowy, izolacja gal-
waniczna między zasilaniem i odbior-
nikami, mała impedancja wewnętrz-
na, umożliwiająca zasilanie odbiorów
o nieliniowej charakterystyce. Wada-
mi są natomiast: wysoki poziom ha-
łasu (70-96 dBA), duże rozmiary i wa-
ga systemu, długotrwałe wyłączenia
systemu przy serwisowych wymia-
nach łożysk.

statyczne zasilacze

bezprzerwowe (UPS-y)

Po ponad 35 latach od pojawie-

nia się, bezprzerwowe zasilacze napię-
cia (UPS-y) stanowią ponad 95 % wszel-
kich sprzedawanych systemów z cza-
sem podtrzymania oraz ponad 98 % ta-
kich systemów w branży elektronicz-
nej i IT. UPS pracuje w instalacji mie-
dzy źródłem zasilającym i zabezpiecza-
nymi urządzeniami i dostarcza ener-
gię elektryczną o odpowiednich para-
metrach niezależnie od obecności i ja-
kości napięcia źródła. UPS-y są zbudo-
wane z trzech podzespołów:



układu

prostownik – ładowarka,

przekształcającego napięcie prze-
mienne na stałe oraz ładującego
baterię akumulatorów,



zestawu (baterii) akumulato-
rów, pozwalającego magazynować
i odnawiać zapasy energii na czas
podtrzymania od 5 do 30, a nawet
więcej minut pracy odbiorników,



statycznej przetwornicy DC/AC
(falownika), która wytwarza po-
nownie napięcie przemienne
o odpowiednio wysokich parame-
trach (napięcie i częstotliwość).

Tym trzem podstawowym elemen-

tom towarzyszą często dodatkowe
funkcje podwyższające jakość i nie-
zawodność:

bypass

elektroniczny na

wypadek przeciążeń lub uszkodze-
nia i

bypass

ręczny dla celów serwiso-

wych oraz opcje komunikacyjne (mo-
nitoring, shutdown, sterowanie). Dwu-
krotne przekształcenie napięcia zasila-
jącego całkowicie separuje zabezpiecza-
ne urządzenia od wszelkich niekorzyst-
nych zjawisk po stronie zasilania.

W ciągu wielu lat UPS stał się inte-

gralnym elementem niezawodnych
układów zasilania, niezależnie od tego,
czy chodzi o zasilanie pojedynczego
komputera (250 VA), czy też ogromne-
go centrum przetwarzania danych lub
zakładu produkcyjnego (nawet ponad
2000 kVA). W instalacjach średnich i du-
żych mocy UPS-y łączy się często w ukła-
dy pracy równoległej w celu uzyskania
większej mocy wyjściowej niż moc jed-
nego UPS-a i zwiększenia niezawodno-
ści układu poprzez stworzenie rezerwy
mocy (redundancja). Bardziej skompliko-
wane układy buduje się w celu uprosz-
czenia serwisu i tworzenia rezerwy
mocy jednocześnie. Tylko rozwiązania
wykorzystujące UPS-y w różnych kon-
figuracjach pozwalają na osiąganie naj-
wyższych wskaźników dostępności zasi-
lania rzędu 99,9999 % w przypadku roz-
wiązania opartego na koncepcji RPA (

Re-

dundant Parallel Architecture

).

zjawisko wyższych

harmonicznych

Od wielu lat rozpowszechniło się

stosowanie zasilaczy impulsowych
i większość sprzętu elektroniczne-
go, a szczególnie komputery, pobie-
ra

prąd o zniekształconym przebiegu,

Rys. 3 I odb.=I zas.+I c (filtru)

czyli

nieliniowy. O takim przebiegu

nie da się powiedzieć, że jest sinuso-
idalny i zawiera znaczny udział wyż-
szych harmonicznych (3., 5., 7. itp.).

Na

rysunku 2 przedstawiony jest

przykładowy nieliniowy przebieg y(t)
zniekształcony trzecią harmoniczną
h3(t), która zsumowana z podstawową
h1(t) wygląda typowo dla jednofazo-
wych urządzeń komputerowych. Prze-
biegi prądu skomplikowanych urzą-
dzeń informatycznych trójfazowych
lub nowoczesnego oświetlenia potra-
fią zawierać bardzo szerokie spektrum
wyższych harmonicznych, których su-
maryczna wartość może osiągać po-
ziom składowej podstawowej!

Uważa się powszechnie, że w Pol-

sce osiągniemy wkrótce stan, w któ-
rym ok. 70 % wszystkich urządzeń elek-
trycznych będzie pobierało prąd o sil-
nie odkształconym przebiegu (łado-
warki baterii, prostowniki, regulatory
prędkości i napędy, komputery, sprzęt
AGD, sprzęt TV i telekomunikacyjny,
itp.). Bez reakcji na takie zjawisko mu-
sielibyśmy stale i zdecydowanie zwięk-
szać moce zasilające (część jest bezpro-
duktywna i tracona), zwiększać prze-
kroje kabli, częściej wymieniać urzą-
dzenia, które by się przegrzewały, sta-
rzały i rozregulowywały. Na szczęście
znane są od dawna metody kompensa-
cji wyższych harmonicznych: transfor-
matory (w różnych układach połączeń)
do eliminacji określonych harmonicz-
nych, filtry pasywne LC i dławiki.

Rozwój konstrukcji UPS-ów doprowa-

dził do opracowania nowoczesnego fa-
lownika, w którym wytwarzanie sinu-
soidy napięcia odbywa się w technologii
PWM (

Power Width Modulation

). Meto-

da ta znakomicie kompensuje zjawisko
pobierania wyższych harmonicznych
przez zabezpieczane urządzenia. Impe-

dancja wyjściowa falownika w techno-
logii PWM jest niska nawet dla wyso-
kich częstotliwości pobieranego prądu,
co skutkuje niską zawartością harmo-
nicznych w wytwarzanym napięciu.

Ta koncepcja legła u podstaw opraco-

wania autonomicznego urządzenia do
kompensacji wyższych harmonicznych
o nazwie

filtr aktywny. Określenie „ak-

tywny” oznacza, że – w przeciwieństwie
do filtrów selektywnych, nastawionych
tylko na jedną lub kilka częstotliwości
– może być instalowany w dowolnym
miejscu i przenoszony w inne, w którym
„adaptuje się” automatycznie. Falowni-
kowi filtru aktywnego można przypisać
swoistą „inteligencję” dzięki zastosowa-
niu specjalnej technologii i wyrafinowa-
nego systemu sterowania.

Filtr aktywny jest wyposażony w de-

tektor, który analizuje spektrum harmo-
nicznych prądowych pobieranych przez
odbiornik i wytwarza takie same, ale
w przeciwfazie i „wstrzykuje” je przed
punkt pomiaru

(rys. 3). Dzięki temu

następuje pełna kompensacja i źródło
zasilające „widzi” pobór tylko składo-
wej podstawowej, czyli liniowy. Filtry
aktywne produkuje się na konkretne
wartości skuteczne prądów do wytwo-
rzenia i instaluje się bocznikowo w sto-
sunku do odbiorów. Dzięki temu nie
przeciążają się, lecz pracują, co najwyżej,
na maksimum swojej mocy. Efektami
pracy filtraaktywnegosą:kompensacja
wyższych harmonicznych oraz poprawa
współczynnika mocy. Dzięki temu moż-
na na przykład obniżyć dotychczasowe
obciążenie transformatora zasilającego
i doinstalować dodatkowe urządzenia,
czy też zmniejszyć pobór mocy biernej
przez odbiorcę i zmniejszyć rachunki
za pobieraną energię. Korzyści te wpi-
sują się znakomicie w modne i potrzeb-
ne działania proekologiczne.

Rys. 2 Przykładowy nieliniowy przebieg y(t) zniekształcony trzecią harmoniczną

h3(t), która zsumowana z podstawową h1(t) wygląda typowo dla jednofazo-

wych urządzeń komputerowych