1 poprawa warunków pracy odbiorników o znaczeniu strategicznym
advertisement
POPRAWA WARUNKÓW PRACY ODBIORNIKÓW O ZNACZENIU STRATEGICZNYM ORAZ SIECI ZASILAJĄCEJ dr inż. Karol Bednarek - EVER Sp. z o.o. dr inż. Leszek Kasprzyk - Politechnika Poznańska, Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej WPROWADZENIE Eksploatowany sprzęt elektryczny, elektroniczny i informatyczny ulega ciągłym modernizacjom, osiągając coraz wyższy poziom zaawansowania technicznego. Pobór energii w tych obiektach jest często zdyskretyzowany, impulsowy, a zatem są to zazwyczaj urządzenia pobierające prądy odkształcone, z czym łączą się problemy związane z oddziaływaniami i wprowadzaniem do sieci zasilającej wyższych harmonicznych. Jednocześnie od jakości napięcia zasilającego (ograniczonego: występowania wyższych harmonicznych, pojawiania się zapadów lub zaników napięcia, powstawania przepięć w sieci itp.) zależy prawidłowa praca urządzeń odbiorczych [1-6]. Z uwagi na powszechność zastosowań urządzeń elektrycznych i częste występowanie wielu różnego typu urządzeń w bliskim otoczeniu oraz wzajemne ich oddziaływanie na siebie szczególnej wagi nabiera potrzeba zapewnienia prawidłowej, niezakłóconej pracy każdego z tych elementów. Aby to osiągnąć, 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 spełniać w celu osiągnięcia harmonijnej pracy poszczególnych urządzeń we wspólnym środowisku [1-6]. W pracy uwagę skupiono na badaniach jakości energii elektrycznej w układach o charakterze nieliniowym. Analizowano ilościowo i jakościowo wpływ zastosowanego systemu zasilania gwarantowanego UPS EVER SUPERLINE na ograniczenie wprowadzania zaburzeń w postaci wyższych harmonicznych przez odbiorniki o charakterze nieliniowym do sieci zasilającej oraz eliminację przenoszenia się zaburzeń sieci zasilającej w postaci przepięć, zapadów lub zaników napięcia na zasilany (poprzez UPS) odbiornik energii. Wykazywano zatem, że poza podstawową funkcją UPS bezprzerwowego zasilania szczególnie ważnych odbiorników umożliwiają one jednocześnie poprawę warunków pracy zarówno zabezpieczanych odbiorników, jak również sieci zasilającej (elektroenergetycznej). 1 PRZEDOSTAWANIE SIĘ ZABURZEŃ DO SIECI ZASILAJĄCEJ Włączenie do sieci zasilającej odbiorników nieliniowych związane jest najczęściej z wprowadzaniem do obwodu zasilania zaburzeń, które mogą zakłócać prawidłową pracę innych odbiorników podłączonych do tej sieci. Zdecydowana większość obecnie eksploatowanego sprzętu to odbiorniki nieliniowe. Pobierają one prądy odkształcone, a zatem w ich rozkładzie widmowym występują wyższe harmoniczne. Włączenie do obwodu elektrycznego elementu pobierającego prąd odkształcony powoduje powstanie nieliniowego charakteru całego obwodu. W przypadku urządzeń silnoprądowych (wysokomocowych) generowane przez nie zakłócenia w postaci wyższych harmonicznych bądź związane z występowaniem stanów przejściowych, przebiegów nieustalonych wprowadzone do sieci elektroenergetycznej mogą zaburzać pracę innych odbiorników podłączonych do tej sieci [2, 4]. WPŁYW JAKOŚCI ENERGII NA PRAWIDŁOWOŚĆ PRACY ODBIORNIKÓW Od jakości dostarczanej energii zależą prawidłowość pracy urządzeń oraz powstające w nich straty mocy. Częstymi problemami jakości energii elektrycznej są odkształcenia harmoniczne (spowodowane nieliniowym obciążeniem w systemie elektroenergetycznym), zapady napięcia (krótkotrwałe obniżenie poziomu napięcia), zjawiska przejściowe oraz przepięcia [6]. Jednym z najistotniejszych czynników służących do oceny jakości energii elektrycznej jest zawartość harmonicznych prądu i napięcia. Najczęściej występujące i jednocześnie niosące za sobą najpoważniejsze skutki są harmoniczne nieparzyste (głównie 3, 5, 7 i 9). Szczególny wpływ np. na straty w transformatorach ma harmoniczna 3-go rzędu oraz pozostałe składowe zerowe – w przypadku układów połączonych w trójkąt harmoniczne te sumują się w poszczególnych fazach, natomiast w układach połączonych w gwiazdę powodują przegrzewanie się przewodu zerowego [6]. Harmoniczne mogą wywoływać przedwczesne wyłączenie zabezpieczeń nadmiarowo-prądowych, a także przeciążenie baterii kondensatorów do kompensacji mocy biernej [5]. Wyższe harmoniczne wzmagają oddziaływania związane ze zjawiskiem naskórkowości (zbliżenie strumienia elektronów do zewnętrznej powierzchni przewodnika zwiększa się wraz ze wzrostem częstotliwości sygnału), mogą również powodować wadliwe funkcjonowanie sprzętu komputerowego, wzrost strat mocy oraz przegrzewanie się silników i transformatorów, powstawanie rezonansów w obwodach elektrycznych itp. [3]. Pojawienie się w sieci elektroenergetycznej wyższych harmonicznych powoduje przedwczesne starzenie się urządzeń, a w efekcie konieczność szybszej ich wymiany [2, 6]. W wielu przypadkach, szczególnie w odbiornikach o znaczeniu strategicznym, związanych z przetwarzaniem danych bądź z procesami produkcyjnymi, w których powstanie przerw prowadzi do wystąpienia znacznych strat ekonomicznych, priorytetowym zagadnieniem jest zapewnienie ciągłości zasilania oraz określonej jakości napięcia zasilającego (ograniczenie do minimum oddziaływania zaburzeń) [1]. 2 WPŁYW UPS NA WARUNKI PRACY ODBIORNIKÓW ORAZ SIECI ZASILAJĄCEJ W sytuacjach częstego pojawiania się zaników bądź nieprawidłowych parametrów napięcia zasilającego, a jednocześnie w przypadkach występowania potrzeby eliminacji negatywnych oddziaływań odbiorników na sieć zasilającą bardzo korzystnym rozwiązaniem jest zastosowanie systemów zasilania gwarantowanego (UPS) pracujących w technologii VFI (Voltage Frequency Independent), czyli zgodnie z inną nomenklaturą: on-line. Realizowane jest w nich podwójne przetwarzanie energii: napięcie sieciowe zostaje wyprostowane, a następnie przekazane do falownika, gdzie z kolei jest przetwarzane na napięcie przemienne o zadanych wzorcowych parametrach, którym podczas normalnej pracy zasilane są zabezpieczane odbiorniki. Równocześnie napięciem z obwodu stałoprądowego doładowywane są akumulatory. W czasie wystąpienia zapadów lub zaników napięcia sieciowego odbiorniki zasilane są bezprzerwowo niezaburzonym napięciem dzięki zasileniu falownika energią zgromadzoną w akumulatorach. W przypadku zasilania urządzenia o charakterze nieliniowym UPS skutecznie ogranicza przedostawanie się generowanych przez nie zakłóceń w postaci wyższych harmonicznych do sieci zasilającej. Dzięki temu odbiornik nie degraduje jakości zasilania sieciowego, a jednocześnie zasilany jest napięciem o założonych, ściśle kontrolowanych parametrach. REZULTATY PRZEPROWADZONYCH BADAŃ Pomiary napięć, prądów, mocy, współczynników THDi, THDu oraz zawartości poszczególnych harmonicznych prądu i napięcia od strony zasilania sieciowego i na wyjściu UPS przy zmianach mocy oraz charakteru obciążenia (nieliniowość, symetria sygnału) autorzy wykonali w Dziale Badań i Rozwoju firmy EVER Sp. z o.o. Badaniom podlegał UPS EVER SUPERLINE 12 kVA, pracujący w technologii VFI, na wyjście którego podłączono odbiornik o regulowanych: wartości mocy i stopniu nieliniowości obciążenia. Wprowadzono silną nieliniowość w badanym, regulowanym odbiorniku, po czym obserwowano prądy i napięcia po stronie odbiornika (na wyjściu UPS) oraz w obwodzie zasilania sieciowego UPS. Na rys. 1 zamieszczono oscylogramy: (1) prądu pobieranego przez odbiornik nieliniowy podłączony na wyjściu UPS oraz (2) prądu pobieranego z sieci przez UPS. Na rys. 2 przedstawiono rozkłady widmowe (zawartość harmonicznych) prądu odkształconego odpowiednio na wejściu oraz wyjściu UPS. 3 Rys. 1. Oscylogramy prądów na wyjściu (1) i wejściu (2) układu UPS EVER SUPERLINE przy podłączeniu odbiornika nieliniowego Rys. 2. Rozkłady widmowe prądów odkształconych odpowiednio na wyjściu i wejściu układu UPS EVER SUPERLINE dla odbiornika nieliniowego Obserwowano również zachowanie się sygnału napięciowego na wyjściu UPS (zasilającego odbiornik) podczas wytwarzania zapadów oraz zaników napięcia sieciowego (na wejściu UPS). Niezależnie od powstających zaburzeń w sieci zasilającej na wyjściu UPS występowało napięcie o założonych, kontrolowanych parametrach (co wynika z charakteru pracy UPS on-line). UWAGI I WNIOSKI W pracy analizowano wpływ zasilacza bezprzerwowego UPS EVER SUPERLINE na ograniczanie wprowadzania przez odbiornik nieliniowy zaburzeń w postaci wyższych harmonicznych do sieci zasilającej. Jednocześnie obserwowano zachowanie się sygnału napięciowego na wyjściu UPS 4 (zasilającego odbiornik) przy powstawaniu krótkotrwałych zapadów oraz zaników napięcia sieciowego (zasilającego UPS). Analiza kształtu i parametrów prądu w obwodzie zasilanego odbiornika (rys. 1 oraz 2) wykazała, że współczynnik THDi wyniósł 63,3%, a harmoniczna rzędu 3-go przekroczyła wartość 53%. Na uwagę zasługuje fakt, że tak duży poziom zniekształceń dotyczy wyłącznie obwodu obciążenia (po stronie wyjściowej zasilacza awaryjnego). Zakłócenia wywołane nieliniowością odbiornika nie przeniosły się do sieci elektroenergetycznej – współczynnik THDi po stronie wejściowej UPS wyniósł 7,5%, a zawartość trzeciej harmonicznej nieznacznie przekroczyła 6,8%. Są to wartości około 9-krotnie mniejsze od wartości związanych z pracą odbiornika nieliniowego. Jednocześnie przez UPS odfiltrowane zostały zaburzenia napięcia. Wartość skuteczna napięcia wejściowego zależna była od obciążenia (wynosiła od 217,6 V do 224,9 V), a napięcia wyjściowego utrzymywała się niezmiennie w wąskim zakresie: od 231,7 V do 232,2 V. Wynika to z budowy i własności funkcjonalnych zasilacza awaryjnego on-line, który wytwarza napięcie niezależne od jakości dostarczonej energii elektrycznej. Przeprowadzone badania wykazały, że system zasilania gwarantowanego UPS VFI, poza bezprzerwowym zasilaniem odbiorników, stanowi skuteczną metodę ograniczania przenoszenia się harmonicznych do sieci elektroenergetycznej, a jednocześnie umożliwia zasilenie odbiorników (szczególnie o znaczeniu strategicznym) napięciem o ściśle kontrolowanych parametrach, niezależnie od nieprawidłowości występujących w napięciu sieciowym. LITERATURA [1] Bednarek K., Electromagnetic compatibility – the standard and legal problems, in “Computer applications in electrical engineering”, edited by R. Nawrowski, ALWERS, Poznań 2006, pp. 89-105. [2] Barlik R., Nowak M., Jakość energii elektrycznej – stan obecny i perspektywy, Przegląd Elektrotechniczny, nr 07/08, 2005, s. 1-12. [3] Bocheński B., Wpływ odkształcenia napięcia na obciążalność transformatorów energetycznych, Przegląd Elektrotechniczny, nr 1k, 2006, s. 28-31. [4] Bielecki S., Jakość energii elektrycznej na rynku energii, Przegląd Elektrotechniczny, nr 07/08, 2007, s. 68-72. [5] Pasko M., Lange A., Kompensacja mocy biernej i filtracja wyższych harmonicznych za pomocą filtrów biernych LC, Przegląd Elektrotechniczny, nr 4, 2010, s. 126-129. [6] http://jakoscenergii.ovh.org/doku.php?id=ocena_jakosci Publikacja: XXII Sympozjum PTZE Zastosowania Elektromagnetyzmu w Nowoczesnych Technikach i Informatyce, Sandomierz, wrzesień 2012, s. 29-33 5
