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

n r 3 / 2 0 0 5

s y s t e m y g w a r a n t o w a n e g o z a s i l a n i a

84

s y s t e m y g w a r a n t o w a n e g o z a s i l a n i a

gwarantowane zasilanie
odbiorników DC i AC

dr inż. Andrzej Baranecki, dr inż. Tadeusz Płatek – ISEP Politechnika Warszawska, MEDCOM Warszawa

P

rzerwy w zasilaniu urządzeń elek-
trycznych mogą być przyczyną

poważnych strat finansowych, spo-
wodowanych utratą danych, zakłóce-
niami procesu technologicznego czy
awariami urządzeń. Bezprzerwowa
praca urządzeń jest realizowana
w technice DC (zasilacz napięcia sta-
łego z dołączoną baterią akumulato-
rów) lub AC (bezprzerwowe zasilacze
UPS, wspomagane czasem agregata-
mi prądotwórczymi).

gwarantowane zasilanie DC

Mimo że struktura standardowego

układu gwarantowanego zasilania od-
biorników DC jest prosta (zasilacz – ba-
teria), tym niemniej istnieje kilka roz-
wiązań układowych, które można brać
pod uwagę przy podejmowaniu decyzji
o wyborze sposobu zasilania.

Przykładowe rozwiązania ukła-

dów gwarantowanego zasilania DC
są przedstawione na rysunku 1.
Z uwagi na konieczność kontrolo-
wania przez zasilacz prądu bate-
rii jest ona dołączana bezpośred-
nio do zasilacza (rys. 1a) lub w ob-
wodzie baterii jest instalowany ze-
wnętrzny pomiar prądu (rys. 1b).
Dla zwiększenia niezawodności za-

silania można systemy DC łączyć
przy wykorzystaniu sumatorów
diodowych (rys. 1c), co ułatwia
również prowadzenie prac zwią-
zanych z konserwacją baterii. Po-
prawę niezawodności, jak również
zwiększenie mocy zasilacza, moż-
na uzyskać dzięki równoległemu łą-
czeniu modułów (rys. 1d), których
systemy sterowania współpracując
ze sobą zapewniają równomierne
ich obciążenie oraz ograniczenie
prądu baterii. Łącząc kilkanaście
modułów można uzyskać moc kil-
kuset kilowatów, przy czym pod-
czas awarii jednego zasilacza po-
zostałe przejmują obciążenie, umo-
żliwiając odstawienie uszkodzonej
jednostki do serwisu.

W układach gwarantowanego za-

silania (zarówno DC, jak i AC), pod-
czas przerw w zasilaniu sieciowym
jest wykorzystywana energia zgro-
madzona w baterii akumulatorów.
Bardzo ważnym czynnikiem jest za-
tem właściwy dobór baterii akumu-
latorów – nie tylko pojemności, ale
również technologii wykonania [1].
Podczas doboru należy uwzględnić
fakt, że w miarę upływu okresu eks-
ploatacji użyteczna pojemność ba-
terii będzie ulegała zmniejszeniu.

Zależy to od ilości głębokich rozła-
dowań (powyżej 80 %), eksploatacji
w podwyższonych temperaturach
otoczenia, sposobu ładowania itp.
Istotne przy doborze jest również
uwzględnienie tabeli rozładowań
baterii – na przykład, jeżeli przy
rozładowaniu 10-godzinnym moż-
na baterię rozładowywać prądem
10 A, to w czasie 1 godziny nie bę-
dzie to 100 A, a np. tylko 60 A.

Przy stosowaniu łączników diodo-

wych należy wykorzystywać układ
(rys. 2a)

.

W stosowanym czasami układzie

z rysunku 2b – w przypadku dozie-
mień – jak na rysunku 3 – dwie dio-
dy przechodzą w stan zaporowy, a na
odbiornikach pojawia się suma na-
pięć dwóch baterii, co powinno ra-
czej skłaniać do rezygnacji ze stoso-
wania takiego rozwiązania.

Rys. 1 Układy gwarantowanego zasilania DC

Rys. 2 Współpraca baterii z wykorzystaniem łączników diodowych

Rys. 3 Doziemienie w układzie według rysunku 2b

Rys. 4 Przykładowe zastosowania separatorów DC/DC

a)

b)

a)

b)

a)

b)

c)

d)

a)

b)

e.i_03_2005.indb 84

e.i_03_2005.indb 84

2005-02-21 15:57:12

2005-02-21 15:57:12

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

n r 3 / 2 0 0 5

85

Układy zasilania DC mogą być

również sprzęgane przy wykorzy-
staniu tzw. separatorów DC/DC.
Zapewniają one galwaniczną izo-
lację między układami, pozwalając
jednocześnie na sprzęganie dwóch
układów o różnych napięciach
znamionowych. Na rysunku 4 są
przedstawione przykładowe wa-
rianty wykorzystania separatorów
– wzajemne rezerwowanie dwóch
systemów (rys. 4a) oraz wydzielo-
ny obwód „A+B”, zasilany z dwóch
systemów DC.

Podczas normalnej pracy układów

DC separatory nie przewodzą prądu.
Automatyczne włączenie ma miejsce
w przypadku obniżenia się napięcia –
w jednym z układów – poniżej usta-
lonego progu.

Istotnym czynnikiem, wpływają-

cym na niezawodność systemu zasi-
lania DC, jest również właściwie do-
brany, dobrej jakości zasilacz (pro-
stownik). Nowoczesny zasilacz, cha-
rakteryzujący się wysoką stabilnością
napięcia (

<1 %) i niskim poziomem

tętnień (

<0,5 %), ma wiele istotnych

funkcji eksploatacyjnych [2], stwarza-
jących możliwość:

dostosowania napięcia wyjścio-

wego do liczby ogniw dołączonej
baterii,

ograniczania prądu ładowania ba-

terii,

ustalania poziomu alarmu pod-

i nadnapięciowego,

szybkiego ładowania baterii,

automatycznej korekty napięcia

ładowania przy zmianach tempe-
ratury w otoczeniu baterii,

kontroli ciągłości obwodu baterii,

sygnalizowania oraz rejestracji

stanów alarmowych,

zdalnego monitorowania parame-

trów pracy zasilacza (interfejs cy-
frowy),

kontroli doziemienia biegunów

baterii.
W układach bezprzerwowego za-

silania odbiorników DC można sto-
sować również przetwornice DC / DC.
Umożliwiają one gwarantowane zasi-
lanie urządzeń o różnych napięciach
przy wykorzystaniu jednej, większej

baterii akumulatorów. Ułatwia to
konserwację systemu zasilania (jed-
na bateria – jeden zasilacz). Przetwor-
nice muszą charakteryzować się bar-
dzo wysoką niezawodnością, dlate-
go powinny być wykonywane stan-
dardowo jako układy z redundan-
cją. Na rysunku 5 jest przedstawio-
ny system zasilania z przetwornicą
DC / DC, składającą się z trzech modu-
łów 0,5 I

n

. Odłączenie jednego z mo-

dułów (np. awaria, konserwacja itp.)
nie zakłóca pracy odbiorników w ob-
wodzie 2 DC – pozostają bowiem dwa
moduły zapewniające pełny prąd zna-
mionowy urządzenia. W zależności
od potrzeb systemu zasilania, prze-
twornice mogą obniżać lub podwyż-
szać napięcie baterii.

Systemy gwarantowanego zasilania

DC są stosowane głównie w energety-
ce i przemyśle. Bardziej powszechnie
są stosowane systemy gwarantowa-
nego zasilania AC, w których są wy-
korzystywane zasilacze UPS (

Uninter-

ruptible Power Supply

).

gwarantowane zasilanie AC

Dobór zasilacza UPS sprowa-

dza się najczęściej – niestety –
do oszacowania mocy zasilanych
urządzeń, przyjęcia współczynni-
ka jednoczesności pracy i określe-
nia stąd wymaganej mocy zasila-
cza. Brak uwzględnienia odkształ-
ceń prądów pobieranych przez od-
biorniki oraz prądów podczas rozru-
chów sprawia, że tak dobrany UPS
pracuje często niestabilnie, nie za-
pewniając bezprzerwowej pracy za-
silanych urządzeń. Odbiorniki AC
są aktualnie w przeważającej części
odbiornikami nieliniowymi, pobie-
rającymi z sieci prądy o przebiegach
odkształconych (najczęściej impul-
sowych). Przebieg prądu opisywany
jest tzw. współczynnikiem kształtu
(

Crest Factor

), określającym, ile razy

amplituda przebiegu jest większa od
jego wartości skutecznej. W przy-
padku przebiegu sinusoidalnego
jest to

ale przy przebiegach od-

kształconych wartość CF może być
znacznie większa (2, a nawet 3, lub

e.i_03_2005.indb 85

e.i_03_2005.indb 85

2005-02-21 15:57:13

2005-02-21 15:57:13

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

n r 3 / 2 0 0 5

s y s t e m y g w a r a n t o w a n e g o z a s i l a n i a

86

więcej). Zasilacz dobrany przy zało-
żeniu sinusoidalnego kształtu prą-
dów, nie jest w stanie zapewnić pra-
widłowej pracy odbiorników nieli-
niowych – następują częste przełą-
czenia na obwód obejściowy i zasi-
lacz nie pracuje stabilnie.

Kolejnym parametrem, który po-

winno się uwzględniać przy konfigu-
racji systemu, jest zwarciowy prąd za-
silacza. Standardowo jest to wartość
2 I

n

, tzn. że podczas zwarcia prąd za-

silacza jest ograniczony do dwukrot-
nej wartości prądu znamionowego.
W przypadku, gdy do zasilacza jest
dołączonych kilka obwodów i w jed-
nym z nich wystąpi zwarcie, powinno
nastąpić przełączenie na obwód obej-

ściowy i szybkie zadziałanie bezpiecz-
nika w zwartym obwodzie. Podczas
zwarcia występuje przerwa w zasila-
niu pozostałych obwodów, co może
zakłócić pracę niektórych odbiorni-
ków. Bardzo szybkie odłączenie zwar-
cia może być zrealizowane przy zasto-
sowaniu statycznego przełącznika ob-
wodu by-pass i zwiększonego zwar-
ciowego prądu zasilacza.

Statyczny przełącznik bezstyko-

wy (

Static Transwer Switch

) może

mieć czasy przełączenia rzędu poje-
dynczych milisekund (z czasem po-
wrotu rzędu kilkudziesięciu mikro-
sekund) [2]. Bardzo szybkie włącze-
nie obwodu obejściowego jest jedno-
cześnie realizowane bez gwałtowne-

go przerywania prądu (jest on spro-
wadzany do zerowej wartości), co za-
pobiega powstawaniu przepięć łącze-
niowych.

W przypadku układów zasilania

z redundancją (rys. 6) łączniki sta-
tyczne umożliwiają osiągnięcie nie-
zawodności zasilania 99,9999999 %,
tj. sumarycznej rocznej przerwy
ok. 30 ms.

W przedstawionym układzie pra-

ca zasilaczy – przy zaniku napięcia
w sieci energetycznej – jest podtrzy-
mywana przy wykorzystaniu jednej,
centralnej baterii akumulatorów.
Układ może być również realizowa-
ny z indywidualną baterią dla każde-
go zasilacza. Pierwszy łącznik decydu-
je o aktywnej pracy jednego z zasila-
czy, natomiast drugi – podczas zwarć
lub dużych przeciążeń – włącza ob-
wód obejściowy.

Podczas wystąpienia zwarcia w jed-

nym z obwodów, prąd zasilacza wzra-
sta do ustalonego limitu, a następnie
zostaje włączony obwód obejściowy.
Po zadziałaniu bezpiecznika (rys. 7)
następuje szybkie przełączenie po-
wrotne. Przełączenia są realizowane
tak szybko, że czas przerwy w zasila-
niu pozostałych obwodów nie prze-
kracza kilku milisekund.

Dla niezawodnej pracy systemu

zasilania AC bardzo korzystnym
czynnikiem jest zwiększony prąd
zwarciowy zasilacza. Ma to szczegól-
ne znaczenie podczas pracy autono-
micznej – przy braku napięcia sie-
ciowego. Podczas zwarcia jest moż-
liwe pobranie zwiększonego prądu,
natomiast podczas rozruchu jednego
z zasilanych urządzeń, proces prze-
biega bez spadku napięcia na wyj-
ściu zasilacza. Przyspiesza to proces
eliminacji zwarć i zapewnia popraw-

ną pracę systemu podczas chwilo-
wych przeciążeń. Na rysunku 8 są
przedstawione oscylogramy przebie-
gów napięć i prądów, podczas zwar-
cia w jednym z obwodów zasilanych
przez UPS standardowy i o zwiększo-
nym prądzie zwarciowym.

Przy zasilaczu standardowym

(2 I

n

) przerwa w zasilaniu pozosta-

łych obwodów przekracza 150 ms,
natomiast przy zasilaczu o zwięk-
szonej wartości prądu zwarciowego
(6 I

n

) przerwa ta nie przekracza 5 ms.

Aktualnie są proponowane [2] zasi-
lacze o prądzie zwarciowym zwięk-
szonym nawet do 9 I

n

.

Podsumowując, można stwier-

dzić, że analiza kosztów następstw
ewentualnej przerwy w pracy new-
ralgicznych odbiorników powin-
na wpływać na planowane koszty
systemu zasilania gwarantowane-
go. Natomiast zbytnia oszczędność
zapewnia dobre samopoczucie tyl-
ko do pierwszej awarii systemu za-
silania. Zwiększająca się liczba od-
biorników nieliniowych powinna
skłaniać zatem do bardziej pogłę-
bionych analiz przy doborze konfi-
guracji i podzespołów dla systemów
gwarantowanego zasilania AC. Ope-
rowanie tradycyjnymi parametrami
– dotyczącymi przebiegów sinuso-
idalnych – prowadzi przecież dosyć
często do realizacji systemów nie-
spełniających rzeczywistych wyma-
gań eksploatacyjnych.

literatura

1. M. Jurczuk, K. Bukała, Dobre

praktyki przy doborze stacjo-
narnych baterii akumulatorów,
„Wiadomości Elektrotechniczne”
1 / 2005.

Rys. 8 Przebiegi napięć (górne) i prądów (dolne) UPS 5 kVA podczas eliminacji

zwarcia w obwodzie zabezpieczonym wkładką WTs 10 A, przy prądzie zwar-
ciowym a) 2 I

n

i b) 6 I

n

a)

b)

Rys. 5 System zasilania z przetwornicą DC / DC

Rys. 6 System zasilania z dwoma zasilaczami UPS

Rys. 7 Eliminacja zwarcia w obwodzie zasilanym przez UPS

e.i_03_2005.indb 86

e.i_03_2005.indb 86

2005-02-21 15:57:21

2005-02-21 15:57:21