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
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.
zrastający stopień skompliko- dy, mróz, wiatr itp.), czynnościami łą- dzieżami. Wyni-
Wwania urządzeń sektora infor- czeniowymi oraz wpływem otocze- ka to z faktu, że
matycznego (IT) i systemów automa- nia elektrycznego (anomalie w pra- np. ścieżki do-
tyki w przemyśle jest połączony z co- cy urządzeń dużej mocy, działanie stępu w serwe-
raz wyższymi oczekiwaniami w zakre- innych odbiorników o niesinuso- rach większości
sie takich parametrów, jak np. szyb- idalnym poborze prądu, awarie sieci systemów sie-
kość przetwarzania danych, transmi- itp.). Dlatego, mimo ciągłego udosko- ciowych są dla
sji i łączeń telekomunikacyjnych, bez- nalania sieci dystrybucyjnej i jakości łatwości dostę-
przerwowe działanie i automatyczne dostarczanego  produktu , jakim jest pu umieszcza-
przełączanie. Osiąganie coraz wyż- energia elektryczna, zakłócenia poja- ne w pamięci
szych poziomów tych parametrów po- wiają się i ich całkowite wyelimino- RAM. Ułamek
woduje jednocześnie zwiększoną po- wanie nie jest technicznie możliwe. sekundy prze-
datność systemów na problemy zwią- rwy w zasilaniu
zane z jakością i ciągłością zasilania. wpływ problemów może je całkowi-
cie usunąć. Śro-
zasilania na urzÄ…dzenia
Fot. 1 Od góry: odkształcenia spowodowane wyższymi har-
zasilanie energiÄ… dowisko UNIX
monicznymi, wahania amplitudy, wahania częstotliwo-
ści, mikroprzerwy (t<10 ms), zaniki napięcia, przebieg
W zawrotnym tempie rośnie stopień wymaga, aby
elektrycznÄ… i zwiÄ…zane
pożądany  idealna sinusoida
złożoności i nowoczesności rozwiązań wszystkie pli-
z tym problemy
informatycznych oraz automatyki, dzię- ki systemowe były stale otwarte w pa- rów. Rozwiązania w urządzeniach co-
Energia elektryczna jest dostarcza- ki czemu rośnie wydajność procesów, mięci RAM. Nawet chwilowa przerwa dziennego użytku są relatywnie nie-
na odbiorcom w formie napięcia prze- które opierają się na ich działaniu. Wy- w zasilaniu może spowodować koniecz- efektywne i polegają na zadziałaniu lub
miennego o jedno- i trójfazowych si- maga to stosowania coraz wyższej kla- ność ponownej instalacji systemu oraz zniszczeniu zabezpieczającego urządze-
nusoidalnych przebiegach charakte- sy komputerów i urządzeń automaty- aplikacji. nia (bezpiecznik), ich wyłączeniu lub za-
ryzowanych m.in. przez określone ki przemysłowej i powoduje, że konse- Zabezpieczenie serwerów UPS-ami bezpieczeniu istotnych danych. Rzad-
parametry: częstotliwość, amplitu- kwencje bezpośrednie i pośrednie spo- to konieczna, ale jednak tylko pierw- ko pozwalają na kontynuowanie nor-
dę, czy kształt (zawartość wyższych wodowane zakłóceniami zasilania sta- sza linia obrony. Przed zanikami napię- malnej pracy.
harmonicznych). Jakkolwiek napięcie ją się coraz bardziej dotkliwe finanso- cia należy zabezpieczać również stacje Aby móc kontynuować pracę w przy-
wytwarzane w elektrowni jest prawie wo. Są przyczyną strat w przychodach robocze. Mniej widoczne, ale bardziej padkach zaników dłuższych niż 20 ms,
idealne, nie można tego powiedzieć z usług, produkcji, powodują pogorsze- dotkliwe są straty spowodowane szyb- należy korzystać z zastępczego z
ródła
o tym, które dociera do użytkownika, nie jakości wytwarzanych dóbr, jak rów- szym zużyciem urządzeń i obniżeniem energii zgromadzonej np. w bateriach
gdzie mamy do czynienia z różnymi nież ryzyko dla ludzi i mienia. W skraj- ich niezawodności. Niektórzy producen- lub systemach rotacyjnych. Należy zwró-
zakłóceniami, m.in: nych przypadkach zdarza się, że zagro- ci urządzeń informatycznych i automa- cić uwagę, że dzisiaj tylko te dwa sposo-
impulsami i przepięciami, żone jest nawet istnienie przedsiębior- tyki, doceniając wagę problemu, udziela- by pozwalają na łatwe magazynowanie
żð
spadkami napięć, stwa, ponieważ badania pokazały, że po- ją rabatów na kontrakty serwisowe, jeśli energii, aby zastąpić z
ródło energii więk-
żð
wahaniami częstotliwości, łowa firm o wysokim stopniu informa- klienci zabezpieczają je UPS-ami. szej niż kilkaset watów. Ogniwa paliwo-
żð
tyzacji i zautomatyzowania nie ma szans we, superkondensatory czy mikroturbi-
przerwami w zasilaniu.
żð
Wizualizacja typowych zakłóceń przetrwać poważnej i długotrwałej awa- zabezpieczenia wewnętrzne ny gazowe nie wyszły jeszcze z faz pro-
napięcia, mających istotny wpływ na rii swojego systemu informatycznego. jektowych lub prób technologicznych.
pracę zasilanych urządzeń, przedsta- Ostatnie badania w sektorze IT Niektóre urządzenia mają wbudo- Stosuje się również zabezpieczenia
wiona jest na fotografii 1. w Wielkiej Brytanii prowadzone przez wane zabezpieczenia wewnętrzne, ale przez odpowiednie oprogramowanie,
y
ródłami zakłóceń są zdarzenia National Computing Center szacowa- często ograniczają się one do typowych ale ograniczają się one do sprzętu in-
występujące podczas przesyłu i dys- ły średnie straty awarii elektrycznych i najczęstszych zjawisk, czyli spadków formatycznego, telekomunikacyjnego
trybucji energii, spowodowane czyn- jako wyższe niż powodowane wyła- napięć i krótkich przerw z wykorzysta- i sterowania procesami technologicz-
nikami atmosferycznymi (burze, opa- dowaniami atmosferycznymi lub kra- niem akumulatorów lub kondensato- nymi. Ich działanie polega na ogra-
w w w. e l e k t r o . i n f o . p l n r 1 2 / 2 0 0 5
34
Rys. 1 Schemat blokowy UPS-a klasy VFI (Voltage and Frequency Independent)
(według wcześniejszej klasyfikacji on-line lub podwójnej konwersji)
niczaniu lub eliminowaniu skutków konania transformatora. Ograniczają
awarii poprzez: prądy upływu poprzez zamknięcie ich
systematyczne i regularne zapisy- w uzwojeniu wtórnym. Odpowiednie
żð
wanie danych na nośnikach nie- układy połączeń w transformatorach
wrażliwych na zakłócenia, trójfazowych dodatkowo eliminują
automatyczne procedury zamyka- trzeciÄ… harmonicznÄ… oraz jej wielo-
żð
nia i restartu, krotności po stronie pierwotnej.
monitorowanie zasilania w celu regulatory napięcia
żð żð
wykrycia zakłóceń i ostrzeganie Regulator napięcia (ferrorezonanso-
obsługi lub wznawianie przerwa- wy lub elektromechaniczny) utrzymu-
nych procedur, a nawet podejmo- je napięcie wyjściowe na stałym pozio-
wanie decyzji o odrzuceniu partii mie niezależnie od wahań napięcia wej-
produkcyjnej. ściowego. Kryteria oceny regulatorów
Należy zwrócić uwagę, że te meto- to: zakres regulacji napięcia, szybkość
dy wymagają dodatkowych progra- i elastyczność regulacji. Często stosu-
mów, pamięci i nie zapobiegają za- je się kombinację transformatora izola-
trzymaniu aplikacji na minutę lub cyjnego oraz regulatora napięcia. A
Ä…czy
dłużej. on zalety obu urządzeń i jest nazywany
regulatorem sieciowym. Takie układy
zabezpieczenia wciąż nie usuwają problemów związa-
nych z zanikami napięcia na dłużej niż
scentralizowane
10 ms, wahaniami częstotliwości oraz
Kiedy urzÄ…dzenie nie posiada wbu- stanami nieustalonymi.
dowanego zabezpieczenia lub jest ono zasilacze prądu stałego
żð
zbyt kosztowne, aby w nie wyposażyć Takie rozwiązania są stosowane
każde urządzenie, stosuje się dodat- w systemach bezpieczeństwa, teleko-
kowe zabezpieczenia do podłączenia munikacyjnych oraz zasilania stycz-
między z
ródło napięcia i odbiornik ników i przekaz
ników. Składają się
lub grupę odbiorników: z układów prostownikowych oraz ele-
mentów magazynujących energię, np.
filtry
żð
Jest to najprostsze rozwiązanie i za- kondensatory dla czasów poniżej 1 s
bezpiecza przed zakłóceniami magne- lub zestawy akumulatorów dla dłuż-
tycznymi, radioelektrycznymi lub at- szych czasów. Układy tego rodzaju są
mosferycznymi (może być połączo- stosunkowo proste i tanie, ale w przy-
ne z zabezpieczeniem odgromowym). padkach scentralizowanych zabezpie-
Nie zapobiega skutkom spadków na- czeń wymagają oddzielnych instalacji
pięć, wahań częstotliwości ani peł- obwodów stałoprądowych.
nych zaników. rozwiązania rotacyjne
żð
transformatory izolacyjne Istnieją różne rozwiązania tego
żð
Transformatory z ekranem elektro- typu, ale wszystkie sÄ… zbudowane
statycznym ograniczają zaburzenia w układzie silnik  agregat prądo-
wysokiej częstotliwości. Stopień tłu- twórczy zasilający zabezpieczane ob-
mienia zależy od jakości projektu i wy- wody. Nazywane są potocznie dyna-
n r 1 2 / 2 0 0 5 w w w. e l e k t r o . i n f o . p l
35
 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
czyli nieliniowy. O takim przebiegu dancja wyjściowa falownika w techno-
nie da się powiedzieć, że jest sinuso- logii PWM jest niska nawet dla wyso-
idalny i zawiera znaczny udział wyż- kich częstotliwości pobieranego prądu,
szych harmonicznych (3., 5., 7. itp.). co skutkuje niską zawartością harmo-
Na rysunku 2 przedstawiony jest nicznych w wytwarzanym napięciu.
przykładowy nieliniowy przebieg y(t) Ta koncepcja legła u podstaw opraco-
zniekształcony trzecią harmoniczną wania autonomicznego urządzenia do
h3(t), która zsumowana z podstawową kompensacji wyższych harmonicznych
Rys. 2 Przykładowy nieliniowy przebieg y(t) zniekształcony trzecią harmoniczną h1(t) wygląda typowo dla jednofazo- o nazwie filtr aktywny. Określenie  ak-
h3(t), która zsumowana z podstawową h1(t) wygląda typowo dla jednofazo-
wych urządzeń komputerowych. Prze- tywny oznacza, że  w przeciwieństwie
wych urządzeń komputerowych
biegi prądu skomplikowanych urzą- do filtrów selektywnych, nastawionych
micznymi i najczęściej wykorzystywa- Tym trzem podstawowym elemen- dzeń informatycznych trójfazowych tylko na jedną lub kilka częstotliwości
ne w dużych instalacjach przemysło- tom towarzyszą często dodatkowe lub nowoczesnego oświetlenia potra-  może być instalowany w dowolnym
wych (powyżej 500 kVA). Ich zalety to: funkcje podwyższające jakość i nie- fią zawierać bardzo szerokie spektrum miejscu i przenoszony w inne, w którym
wysoki prąd zwarciowy, izolacja gal- zawodność: bypass elektroniczny na wyższych harmonicznych, których su-  adaptuje się automatycznie. Falowni-
waniczna między zasilaniem i odbior- wypadek przeciążeń lub uszkodze- maryczna wartość może osiągać po- kowi filtru aktywnego możnaprzypisać
nikami, mała impedancja wewnętrz- nia i bypass ręczny dla celów serwiso- ziom składowej podstawowej! swoistą  inteligencję dzięki zastosowa-
na, umożliwiająca zasilanie odbiorów wych oraz opcje komunikacyjne (mo- Uważa się powszechnie, że w Pol- niu specjalnej technologii i wyrafinowa-
o nieliniowej charakterystyce. Wada- nitoring, shutdown, sterowanie). Dwu- sce osiągniemy wkrótce stan, w któ- nego systemu sterowania.
mi są natomiast: wysoki poziom ha- krotne przekształcenie napięcia zasila- rym ok. 70 % wszystkich urządzeń elek- Filtr aktywny jest wyposażony w de-
łasu (70-96 dBA), duże rozmiary i wa- jącego całkowicie separuje zabezpiecza- trycznych będzie pobierało prąd o sil- tektor, który analizuje spektrum harmo-
ga systemu, długotrwałe wyłączenia ne urządzenia od wszelkich niekorzyst- nie odkształconym przebiegu (łado- nicznych prądowych pobieranych przez
systemu przy serwisowych wymia- nych zjawisk po stronie zasilania. warki baterii, prostowniki, regulatory odbiornik i wytwarza takie same, ale
nach łożysk. W ciągu wielu lat UPS stał się inte- prędkości i napędy, komputery, sprzęt w przeciwfazie i  wstrzykuje je przed
gralnym elementem niezawodnych AGD, sprzęt TV i telekomunikacyjny, punkt pomiaru (rys. 3). Dzięki temu
statyczne zasilacze układów zasilania, niezależnie od tego, itp.). Bez reakcji na takie zjawisko mu- następuje pełna kompensacja i z
ródło
czy chodzi o zasilanie pojedynczego sielibyśmy stale i zdecydowanie zwięk- zasilające  widzi pobór tylko składo-
bezprzerwowe (UPS-y)
komputera (250 VA), czy też ogromne- szać moce zasilające (część jest bezpro- wej podstawowej, czyli liniowy. Filtry
Po ponad 35 latach od pojawie- go centrum przetwarzania danych lub duktywna i tracona), zwiększać prze- aktywne produkuje się na konkretne
nia się, bezprzerwowe zasilacze napię- zakładu produkcyjnego (nawet ponad kroje kabli, częściej wymieniać urzą- wartości skuteczne prądów do wytwo-
cia (UPS-y) stanowią ponad 95 % wszel- 2000 kVA). W instalacjach średnich i du- dzenia, które by się przegrzewały, sta- rzenia i instaluje się bocznikowo w sto-
kich sprzedawanych systemów z cza- żych mocy UPS-y łączy się często w ukła- rzały i rozregulowywały. Na szczęście sunku do odbiorów. Dzięki temu nie
sem podtrzymania oraz ponad 98 % ta- dy pracy równoległej w celu uzyskania znane są od dawna metody kompensa- przeciążają się, lecz pracują, co najwyżej,
kich systemów w branży elektronicz- większej mocy wyjściowej niż moc jed- cji wyższych harmonicznych: transfor- na maksimum swojej mocy. Efektami
nej i IT. UPS pracuje w instalacji mie- nego UPS-a i zwiększenia niezawodno- matory (w różnych układach połączeń) pracy filtraaktywnegosą:kompensacja
dzy z
ródłem zasilającym i zabezpiecza- ści układu poprzez stworzenie rezerwy do eliminacji określonych harmonicz- wyższych harmonicznych oraz poprawa
nymi urządzeniami i dostarcza ener- mocy (redundancja). Bardziej skompliko- nych, filtry pasywne LC i dławiki. współczynnika mocy. Dzięki temu moż-
gię elektryczną o odpowiednich para- wane układy buduje się w celu uprosz- Rozwój konstrukcji UPS-ów doprowa- na na przykład obniżyć dotychczasowe
metrach niezależnie od obecności i ja- czenia serwisu i tworzenia rezerwy dził do opracowania nowoczesnego fa- obciążenie transformatora zasilającego
kości napięcia z
ródła. UPS-y są zbudo- mocy jednocześnie. Tylko rozwiązania lownika, w którym wytwarzanie sinu- i doinstalować dodatkowe urządzenia,
wane z trzech podzespołów: wykorzystujące UPS-y w różnych kon- soidy napięcia odbywa się w technologii czy też zmniejszyć pobór mocy biernej
układu prostownik  ładowarka, figuracjach pozwalają na osiąganie naj- PWM (Power Width Modulation). Meto- przez odbiorcę i zmniejszyć rachunki
żð
przekształcającego napięcie prze- wyższych wskaz
ników dostępności zasi- da ta znakomicie kompensuje zjawisko za pobieraną energię. Korzyści te wpi-
mienne na stałe oraz ładującego lania rzędu 99,9999 % w przypadku roz- pobierania wyższych harmonicznych sują się znakomicie w modne i potrzeb-
baterię akumulatorów, wiązania opartego na koncepcji RPA (Re- przez zabezpieczane urządzenia. Impe- ne działania proekologiczne.
zestawu (baterii) akumulato- dundant Parallel Architecture).
żð
rów, pozwalającego magazynować
i odnawiać zapasy energii na czas zjawisko wyższych
podtrzymania od 5 do 30, a nawet
harmonicznych
więcej minut pracy odbiorników,
statycznej przetwornicy DC/AC Od wielu lat rozpowszechniło się
żð
(falownika), która wytwarza po- stosowanie zasilaczy impulsowych
nownie napięcie przemienne i większość sprzętu elektroniczne-
o odpowiednio wysokich parame- go, a szczególnie komputery, pobie-
Rys. 3 I odb.=I zas.+I c (filtru)
trach (napięcie i częstotliwość). ra prąd o zniekształconym przebiegu,
w w w. e l e k t r o . i n f o . p l n r 1 2 / 2 0 0 5
36