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
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
UPS-y o podwyższonej
pewności działania
mgr inż. Mirosław Stępień, mgr inż. Mariusz Kłos, mgr inż. Paweł Pośpiech, mgr inż. Tomasz Kubera, Michał Sobczak
W wielu dziedzinach przemysłu istnieje konieczność zapewnienia bezprzerwowej pracy
urządzeń elektrycznych w przypadku zaniku napięcia sieci zasilającej. Istnieje wiele roz-
wiązań układów umożliwiających realizację systemów zasilania rezerwowego  UPS (ang.
Uninterruptable Power Supply) [3, 4, 5]. W przypadku zastosowań przemysłowych ist-
nieje potrzeba budowy urządzeń, które cechuje bardzo duża niezawodność działania.
a pewność działania musi być izolację falownika UPS-a od obwo-
żð
Tznacznie większa niż w prostych dów zasilanych z wyjścia UPS-a,
urządzeniach stosowanych np. UPS powinien być wyposażo-
żð
w szkolnictwie, sklepach, na poczcie, ny w układ obejściowy  ang.
itp. Aby ją osiągnąć, konieczne są bypass, w specjalnym przypad-
urządzenia o specjalnej budowie, np. ku może on być izolowany przez
UPS-y o podwyższonej pewności transformator,
działania.
UPS powinien być wyposażony
żð
w system nadzoru, gwarantujÄ…cy
wymagania współpracę z systemem nadzoru
Rys. 1 Schemat UPS-a bez transformatora od strony wejścia i wyjścia
baterii.
dla UPS-ów o podwyższonej
pewności działania
wybór koncepcji
Przemysłowy UPS o podwyższo-
układu UPS-a o podwyższonej
nej pewności działania powinien za-
pewności działania
pewniać:
możliwość zasilania z dowolne- W celu spełnienia tych wyma-
żð
go z
ródła napięcia przemienne- gań przeanalizowano zastosowanie
go, przy czym prąd pobierany z te- trzech różnych schematów UPS-ów:
go z
ródła powinien mieć jak naj- z podwójną konwersją w układzie
mniejszą zawartość wyższych har- beztransformatorowym [5], z po-
Rys. 2 Schemat UPS-a z izolacją między wyjściem falownika
monicznych [5], np. THDi <10 %, dwójną konwersją z transformatorem
galwaniczną izolację między z
ró- wyjściowym [5] i z podwójną konwer-
żð
dłem zasilania a dalszą częścią sją z izolacją galwaniczną od wejścia
UPS-a, i wyjścia układu [5].
możliwość zasilania z dwóch nie- Po analizie przedstawionych na ry-
żð
zależnych systemów bateryjnych, sunkach schematów, najwięcej wy-
Rys. 3 Schemat UPS-a z izolacją między wejściem układu a siecią zasilającą, wyjściem
układu a falownikiem UPS-a oraz izolacją między siecią a obwodem bypassu
Rys. 4 Równoległe połączenie dwóch UPS-ów
w w w. e l e k t r o . i n f o . p l n r 1 2 / 2 0 0 5
66
Rys. 5 Prostownik 12-pulsowy Rys. 7 Zasilacz bateryjny
a) b)
Rys. 6 Oscylogramy prÄ…du pobieranego z sieci przez UPS-a (12-pulsowy prostownik
podstawowy) oraz napięcie wyjściowe z prostownika (U =250 V; I=67 A):
DC
a) układ bez filtru, b) układ z filtrem Rys. 8 Schemat blokowy falownika
magań spełnia układ UPS-a, które- ładowanie podstawowej baterii UPS-a, wartości wyższych harmonicznych 
elementy składowe układu
go schemat przedstawiono na ry- układ wyposażono w zasilacz bateryj- THDu około 2 %.
sunku 3. Dalsza poprawa pewności Prostownik podstawowy wej- ny, którego schemat przedstawiono
działania układu zasilania jest moż- ściowy na rysunku 7. połączenie równoległe
liwa dzięki równoległemu połącze- Zastosowano tu układ prostownika Prostownik bateryjny w czasie pra-
dwóch UPS-ów
niu dwóch UPS-ów. Takie rozwiąza- wielopulsowego (12-pulsowego), któ- cy ustalonej  ładowanie buforowe,
nie przedstawia rysunek 4. rego schemat przedstawia rysunek 5 utrzymuje stałe napięcie baterii. Na- Schemat przedstawiony na rysun-
Badania pewności działania takie- [1, 5]. Układ zapewnia izolację od sie- pięcie to jest kompensowane termicz- ku 9 pozwala na obliczenie niezawod-
go układu UPS-a zostały przeprowa- ci zasilającej. Zastosowany w ukła- nie, zgodnie z wymogami EUROBAT. ności (pewności) działania dwóch
dzone na podstawie analizy matema- dzie prostownika podstawowego Napięcie buforowe baterii w stanie UPS-ów połączonych równolegle [3].
tycznej. W celu eliminacji zakłóceń filtr wejściowy umożliwia ogranicze- pracy normalnej UPS-a jest mniejsze Jest on przekształconym schematem
w działaniu UPS-ów, wynikających nie THDi. Wyniki badań pod wzglę- niż napięcie w obwodzie wyjściowym z rysunku 4. Oznaczenia odpowied-
z zakłóceń w pracy falownika, UPS dem zawartości wyższych harmonicz- prostownika podstawowego. Dzięki nich bloków układu oznaczają jedno-
wyposażono w elektroniczny układ nych przedstawia rysunek 6, gdzie podłączeniu baterii przez diodę D0 cześnie ich niezawodności (pewności)
obejściowy. Układ ten może przeno- THDi układu bez filtrów, przy obcią- do obwodu zasilania falownika, prąd działania, i tak: P  prostownik pod-
P
sić energię zarówno od falownika do żeniu znamionowym wynosi ok. 10 % zasilający falownik w stanie ustalo- stawowy o P niezawodności (pew-
P
wyjścia UPS-a, jak i od sieci rezerwo- (rys. 6a), a dla układu z filtrem około nym pochodzi tylko z prostownika ności) działania, F  falownik wraz
wej do wyjścia. 6 % (rys. 6b). Aby zapewnić właściwe podstawowego. Natomiast przy zani- z układem sterowania o F niezawod-
ku napięcia sieci, do zasilania wejścia ności (pewności) działania, B i B 
P d
falownika włącza się bateria. W sta- niezawodność (pewność) pracy bate-
nie rozładowania bateria ładowana rii podstawowych UPS-a i baterii do-
jest prądem stałym, zgodnie z EURO- datkowych, D1, D2, D  niezawod-
d
BAT [2]. ność (pewność) pracy diod, P  nie-
E
Falownik zawodność (pewność) pracy przełącz-
Opisywany UPS został zaprojek- nika elektronicznego.
towany do zasilania odbiorów 230 V Uwzględniając podane wyżej ozna-
o częstotliwości 50 Hz. Z tego powo- czenia niezawodności (pewności) pra-
du do podstawowej realizacji ukła- cy elementów dla pojedynczego UPS-a
du użyto czterotranzystorowego fa- do umownej granicy  linia A A,
lownika mostkowego z transformato- otrzymujemy:
rem wyjściowym [1, 2]. Układ stero-
wania falownika zbudowano na pod-
stawie mikroprocesora DSP. Umożli-
wia to otrzymanie na wyjściu napię- Wyrażenie to oznacza niezawodność
Rys. 9 Połączenie równoległe dwóch UPS-ów
cia sinusoidalnego o bardzo małej za- (pewność) pracy pojedynczego UPS-a.
n r 1 2 / 2 0 0 5 w w w. e l e k t r o . i n f o . p l
67
 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
Rys. 10 Przebieg napięcia wyjściowego falownika przy obciążeniu liniowym
(U =230 V, I =66 A)
wy wy
Rys. 14 Prąd i napięcie wyjściowe przy załączeniu obciążenia liniowego. Skok ob-
ciążenia od 0 do 100 %
Natomiast niezawodność (pewność) ca- układ zachowuje się poprawnie
żð
łego układu połączonych równolegle przy obciążeniu liniowym i nieli-
UPS1 i UPS2, wyznacza zależność: niowym oraz przy zwarciach na
wyjściu UPS-a,
RC = îÅ‚1-( ) ( )ûÅ‚ żð
1- RUPS1 Å" 1- RUPS2 Å‚Å‚Å" PE
zastosowanie układu równole-
ðÅ‚
głego połączenia dwóch UPS-ów
Wyłączenie z pracy jednego z blo- zwiększa pewność pracy całe-
ków P , B i B nie wyłącza z pra- go urządzenia gwarantując bez-
p p d
cy całej gałęzi np. UPS1 lub UPS2. przerwowe zasilanie odbiorów
Gałąz
UPS1 lub UPS2 zostaje wyłą- w przypadku wyłączenia lub
czona dopiero przy wyłączeniu fa- awarii jednego z dwóch UPS-ów
Rys. 11 Napięcie wyjściowe przy obciążeniu odbiornikiem liniowym (U =230 V,
wy
I =66 A
wy
lownika  blok F. Z kolei wyłącze- oraz zapewnia lepsze (szybsze)
nie z pracy bloku P powoduje wy- działanie zabezpieczeń na po-
E
łączenie całego systemu równolegle szczególnych odbiorach w przy-
pracujących UPS-ów. Z tego powodu padku wystąpienia zwarcia. Przy
niezawodność (pewność) pracy blo- pracy równoległej prąd zwarcio-
ku P jest zagadnieniem pierwszo- wy jest sumą prądów UPS-a 1
E
planowym. oraz UPS-a 2, co znacznie skraca
czas zadziałania zabezpieczenia
wyniki badań odpływu, w którym wystąpiło
zwarcie, i powrotu prawidłowego
laboratoryjnych
napięcia na wyjściu systemu. Ma
zaproponowanych układów
to istotne znaczenie dla prawi-
Przedstawiony układ równoległego dłowej pracy pozostałych odbio-
połączenia dwóch UPS-ów z podwój- rów oraz dla warunków bezpie-
Rys. 12 Napięcie wyjściowe przy obciążeniu odbiornikiem nieliniowym
(U =230 V, amplituda prÄ…du I =150 A)
wy wy
ną izolacją poddano badaniom labo- czeństwa (na rysunku 13 poka-
ratoryjnym (rys. 10, 11, 12, 13, 14). zano przypadek zachowania siÄ™
Opracowany schemat UPS-a o zwięk- całego systemu przy zwarciu na
szonej pewności pracy spełnia okre- wyjściu: sumaryczny prąd zwar-
Å›lone na poczatku wymagania: ciowy systemu 2×15 kVA jest na
pobiera z sieci prÄ…d o niskiej za- poziomie 780 A).
żð
wartości harmonicznych  THDi przyjęta konstrukcja obwodu pro-
żð
<10 %. THDi prądu pobieranego stownika wejściowego w każdym
z sieci w układzie bez filtru wej- z UPS-ów umożliwia dodatko-
ściowego wynosi 9,8 %, z filtrem we zasilanie każdego z nich z od-
5,6 %, dzielnej baterii.
napięcie wyjściowe z UPS-a ma
żð
Rys. 13 Praca urządzenia przy zwarciu na wyjściu dwóch równolegle połączonych kształt sinusoidalny o współczyn- Od redakcji: Literatura do artyku-
UPS-ów (U =230, prąd zwarcia I =780 A)
wy zw
niku THDu około 1 %, łu na www.elektro.info.pl.
w w w. e l e k t r o . i n f o . p l n r 1 2 / 2 0 0 5
68