N idealne ups-y „zielonej serii” owa technologia wprowadzona w "zielonej" serii ups-ów 3–fazowych nadaje im wyjątkowe cechy



Pobieranie 60.62 Kb.
Data02.05.2016
Rozmiar60.62 Kb.


N
Idealne UPS-y „zielonej serii”

owa technologia wprowadzona w "zielonej" serii UPS-ów 3–fazowych nadaje im wyjątkowe cechy.

Wstęp


Stosowane od wielu lat UPS-y o podwójnej konwersji (z prostownikiem na wejściu) stopniowo zaczynają sprawiać problemy innym odbiorcom energii, nie posiadającym UPS-ów.

Wynika to z harmonicznych, którymi UPS-y te obciążają sieć. Pobierane przez nie prądy odkształcone powodują pojawienie się zniekształceń napięcia, co może zakłócać pracę wrażliwych urządzeń i powodować uszkodzenia baterii kondensatorów kompensujących współczynnik mocy oraz przeciążenie transformatorów.






Rys.1 UPS o podwójnej konwersji Rys.2 UPS I–generacji DataPower® Rys.3 UPS II–generacji DataPower®

(konwersja Delta)

· 30% harmonicznych prądu · bez zniekształceń prądu wej. · bez zniekształceń prądu wej.

· niski współczynnik mocy · współczynnik mocy zależny od · współczynnik mocy

charakteru obciążenia i sieci około 1 (nadzorowany)

· straty energii 8 do 12% · straty energii 5% · straty energii 3%

UPS o podwójnej konwersji posiadają duże straty własne, wynikające z ich budowy. Biorąc pod uwagę, że są to urządzenia pracujące przez całą dobę i przez 365 dni w roku, zużywają bezproduktywnie znaczną ilość energii co powoduje niepotrzebny wzrost kosztów eksploatacji.

Tradycyjne UPS nie pozwalają na efektywne wykorzystanie systemu energetycznego, gdyż stanowią dla sieci obciążenie o niskim współczynniku mocy.

Wywołuje to konieczność mocowego "przewymiarowania" instalacji lokalnych, rozdzielni i linii energetycznych.

Tradycyjne UPS wymagają do współpracy mocno przewymiarowanego agregatu prądotwórczego (4-8 razy).

Wszystko to uległo zmianie po wpro­wadzeniu nowej generacji "zielonych" UPS-ów działających na zasadzie tzw. konwersji Delta, użytej po raz pierwszy w 3–fazowej serii APC-SILCON DP300E.

W porównaniu z tradycyjnymi UPS z podwójną konwersją, technologia Delta zapewnia:

· redukcję strat energii z 10% do ok. 3%

· redukcję harmonicznych prądu wejściowego z 30% do mniej niż 3%

· poprawę wykorzystania mocy instalacji z 80% do 99%

Konstrukcja ta jest opracowaniem, które wychodzi naprzeciw przygotowywanej normy europejskiej normy dopuszczajacej określone zniekształcenia wprowdzane do sieci przez urządzenia odbiorcze (IEC555).

Pojęcia Podstawowe


Rysunki 1, 2 i 3 pokazują zasadę działania omawianych 3 typów UPS.

Zasada podwójnej konwersji jest oczywista. Prostownik przekształca wejściowe napięcie przemienne na napięcie stałe (DC) do ładowania baterii i do falownika, falownik z kolei dostarcza do odbiorników ciągle stabilizowane napięcie przemienne. W czasie awarii zasilania z sieci energetycznej, energia czerpana jest z baterii, do chwili gdy napięcie w sieci powróci do normy. Wszystkie zmiany zasilania (przejście z zasilania sieciowego na bateryjne i odwrotnie) odbywają się bez żadnych przerw w zasilaniu odbiorców.

Odbiorcy są więc cały czas zasilani stabilizowanym napięciem wysokiej jakości (czysty sinus).

Jest to podstawowa cecha UPS-ów typu on–line i posiadają ją wszystkie typy omawianych tu urządzeń, w tym UPS-y DataPower I i II generacji (pracujące na zasadzie konwersji Delta) pokazane na rys. 2 i 3. Wszystkie typy posiadają elektroniczny przełącznik obejścia, który nie będzie omawiany w tym artykule.

Rys. 2 przedstawia znany układ o DataPower I generacji. Różni się on od układu tradycyjnego (rys.1) przede wszystkim brakiem oddzielnego prostownika. Zamiast niego użyto czteroćwiartkowego falownika, który może przekazywać energię w dowolnym kierunku. Może więc on funkcjonalnie zastąpić prostownik.

W czasie pracy normalnej wyłącznik sieciowy jest załączony i moc jest pobierana z sieci. Większość pobranej mocy jest przekazana przez dławik do obciążenia, a więc nie zachodzi podwójna konwersja energii jak w układzie z rys. 1. Oznacza to znaczne obniżenie strat energetycznych w porównaniu do układu tradycyjnego.

Chociaż nie jest to na pierwszy rzut oka widoczne, falownik cały czas nadzoruje napięcie wyjściowe, pomimo iż większość energii przepływa bezpośrednio przez dławik.



1. Napięcie sieci 1. Napięcie sieci 1. Napięcie sieci

2. Prąd sieci 2. Prąd sieci 2. Prąd sieci



Rys.4 UPS o podw. konwersji Rys.5 UPS DataPower I gen. Rys.6 UPS z konw. "Delta"

(prostownik 6 pulsowy)
Biorąc pod uwagę, że napięcie wyjściowe jest zawsze sinusoidalne, łatwo zauważyć, że pobierany prąd będzie też sinusoidalny. Nie wystąpią więc harmoniczne w zasilającym prądzie sieciowym.Tu właśnie leży różnica w porównaniu do układu o podwójnej konwersji z prostownikiem zawierającym tyrystory, w którym występują silnie zniekształcone prądy pobierane z sieci.

W przypadku zaniku lub niesprawności zasilania sieciowego, obydwa układy zachowują się pod względem funkcjonalnym tak samo i korzystają z energii baterii. W układzie z rys. 2 falownik, który pracuje cały czas i stabilizuje napięcie wyjściowe, dostarcza moc wyjściową, czerpiąc zasilanie z baterii. Aby zapobiec zwrotowi energii do sieci wyłącznik sieciowy zostaje otwarty.

Z chwilą powrotu napięcia sieci, wspomniany wyłącznik zamyka się i następuje zasilanie całości poprzez dławik, z tym, że falownik pełni teraz jednocześnie funkcję stabilizatora napięcia wyjściowego i prostownika ładowania baterii – przepuszczając energię w kierunku odwrotnym niż poprzednio.

Tak zbudowany układ wygląda na doskonały: ma niskie straty mocy, pobiera sinusoidalny prąd z sieci i jest prosty. Posiada on jednak wadę wspólną z układem o pod­wójnej konwersji. Posiada względnie niski współczynnik mocy od strony sieci, który w dodatku zmienia się w zależności od napięcia sieci a częściowo także od zmian obciążenia.

Z tego powodu wykorzystanie energetyczne instalacji przy użyciu takiego UPS-a nie jest optymalne.

Co więcej, przy wysokich napięciach sieci (+10% do +15%) straty w układzie z rys. 2 rosną.

Wynika to stąd, że przy wzroście napięcia sieci rośnie spadek napięcia na dławiku, a więc rośnie też prąd bierny, który falownik musi "skonsumować".

Nawet przy tych niedogodnościach omawiany układ w sumie znacznie dominuje nad tradycyjnym układem o podwójnej konwersji.


Układ Konwersji Delta


Rozwój technologii i ciągłe poszukiwanie rozwiązań lepszych i nowocześniejszych doprowadziły do opracowania nowej generacji UPS ów pracujących na zasadzie "konwersji delta", które eliminują drobne niedociągnięcia układów DataPower® z rys. 2 i są bliskie rozwiązaniom optymalnym.

Jak widać na rys.3, układ posiada 2 falowniki podłączone do jednej baterii. Falownik 1 ma moc nominalną równą około 20% mocy znamionowej UPS-a i jest zasilany przez transformator włączony szeregowo pomiędzy przewód sieci i wyjście UPS-a. Falownik 2 ma moc znamionową równą mocy znamionowej UPS-a i pełni taką samą rolę jak falownik w UPS-ie o pojedynczej konwersji. Obydwa falowniki są czteroćwiartkowe (czyli pozwalają, poprzez odpowiednie sterowanie, na dowolny kierunek przenoszenia energii, niezależnie od aktualnych znaków napięć na wejściu i wyjściu falownika).

Falownik nr.2 utrzymuje stabilizowane napięcie na obciążeniu, przy pracy z baterii, przy pracy sieciowej, jak również przy przejściu z pracy bateryjnej na sieciową i odwrotnie.

Falownik 1- tzw Falownk Delta: kontroluje prąd wejściowy korygując jego przebieg (eliminacja harmocicznych), kontroluje napięcie ładowania baterii akumulatorów, koryguje wejściowy współczynnik mocy i bierze udział w procesie stabilizacji napięcia wyjściowego. Bardzo istotne jest to, że dzięki takiej konstrukcji urządzenia: wejściowy współczynnik mocy utrzymywany jest w pobliżu jedności oraz prąd pobierany z sieci jest sinusoidalny.

Pokazany na rys.3 rozłącznik sieci pełni tą samą funkcję co w układzie z rys. 2 – zabezpieczenie przed zasilaniem zwrotnym przez UPS niesprawnej sieci (back-feed).

Podsumujmy teraz różnice pomiędzy trzema omawianymi rodzajami UPS. Rys.4 pokazuje silnie odkształcony prąd wejściowy tradycyjnego UPS. Prąd ten daje spadki napięć na impedancji sieci, czego skutki są widoczne jako zniekształcenia napięcia sieci. Szczególnie warto zwrócić uwagę na "ząbki" wynikające z komutacji tyrystorów w prostowniku sterowanym. Takie "ząbki" mogą spowodować zakłócenia w działaniu innych urządzeń zasilanych z tej samej sieci. Spowodują one też przepływ szczególnie dużych prądów wyrównawczych w kondensatorach kompensatorów mocy biernej, zwiększając prawdopodobieństwo ich uszkodzenia.

Na rys.5 przedstawiono prąd UPS-a DataPower I generacji. Jest to prąd czysto sinusoidalny; więc nie wnosi zniekształceń napięcia sieciowego. Można jednak zauważyć przesunięcie fazy pomiędzy tym prądem i napięciem sieci, co powoduje, że współczynnik mocy nie jest równy jedności, a to nie jest pożądane z punktu widzenia najlepszego wykorzystania sieci zasilającej.

Rys.6 pokazuje stan dla "idealnego" UPS-a z konwersją delta.

Jak widać, nie występują tu znieksz­tałcenia prądu sieci, więc nie ma też zniekształceń napięcia sieciowego. Pobierany prąd jest w fazie z napięciem, czyli współczynnik mocy jest równy jedności.

Uzyskane zmiany podążają więc we właściwym kierunku. Czy taki UPS nie będzie jednak wykazywał strat mocy takich jak układ o podwójnej konwersji?

Okazuje się, że nie. Ten nowy układ jest dużo "sprytniejszy" niż to na pierwszy rzut oka wygląda.

Prześledźmy różnice w warunkach pracy i drogi przepływu energii z uwzglę­dnieniem występujących proporcji.

Rys. 7 ilustruje stan pracy normalnej, przy obciążeniu 100%, gdy napięcie sieci jest równe napięciu wyjściowemu, a baterie są w pełni naładowane.

W tym stanie falownik delta (1) tylko podtrzymuje prąd sieci, który w tej sytuacji jest równy prądowi obciążenia (przyjęto obciążenie rezystancyjne). Ponieważ "napięcie delta" na uzwojeniu pierwotnym transformatora jest zerowe, więc moc przenoszona przez falownik delta będzie też równa zero.

Również falownik główny (2) pracuje na "biegu jałowym", gdyż wyjściowe napięcie stabilizowane jest dokładnie równe napięciu wejściowemu.

W układzie idealizowanym cała moc przepływa więc wprost do obciążenia. Nie występuje żadne przetwarzanie, nie ma więc strat mocy. W praktyce niewiel­kie straty oczywiście występują i wyni­kają z zasilania wentylatorów, układów elektronicznych i strat magnetycznych.

W przypadku, gdy obciążenie nie jest rezystancyjne lecz pobiera też prądy bierne bądź odkształcone, prądy te są dostarczane przez falownik główny, gdyż nie mogą zostać pobrane z sieci (zabezpiecza przed tym falownik delta).


Rys. 7


Rys. 8


Rys. 9

Omawiane prądy bierne i harmoniczne nieco powiększą moc strat, ale sprawność całości nadal pozostanie wyjątkowo wysoka.

Sytuacja pokazana na rys.8 zaczyna być naprawdę interesująca. Napięcie sieci jest tutaj wyższe o 15% od znamionowego.

Ponieważ napięcie wyjściowe musi być utrzymane stabilne i bez zmian w granicach ±1%, więc w tym przypadku falownik delta musi odjąć 15% od napięcia sieci.

Tutaj falownik delta musi "skonsumować 15% napięcia sieci.

W tej sytuacji 15% mocy jest przepuszczane przez falownik delta, poprzez tor DC i w rezultacie przez falownik główny do obciążenia.

Zachodzi tu więc rzeczywisty proces podwójnej konwersji wraz z odpowiednimi stratami. Istnieje jednak istotna różnica w porów­naniu do układu o tradycyjnej podwójnej konwersji polegająca na tym, że przetwarzana jest tylko różnica mocy pomiędzy wejściem a wyjściem.

Jeśli więc założymy dla układu o podwójnej konwersji straty mocy np. 10% i przyjmiemy, że nasze oba falowniki mają taką samą sprawność, wynika stąd, że nasze sumaryczne straty przy napięciu sieci obniżonym o 15% będą wynosić0.1510 = 1,5%, ponieważ przetwarzane jest tylko 15% mocy.

Przy napięciu sieci obniżonym o 10% straty więc wyniosą 0,110% =1%, itd.

Kolejny przypadek: napięcie sieci jest niższe o 15% od znamionowego. Falownik delt musi dodać 15% do napięcia sieci.

Skąd pobierze on potrzebną do tego moc?

Moc ta zostanie pobrana z sieci, poprzez falownik główny i przekazana zwrotnie przez tor DC, do falownika delta i dalej do szeregowego transformatora delta .



Znów ma miejsce podwójna konwersja i można przeprowadzić analogiczne rozważania na temat strat jak w przypadku pokazanym na rys.8.

Na rys. 9 pokazano stan nominalny, z tym, że występuje ładowanie baterii.

Z sieci pobierane jest tu 110% mocy znamionowej, a ponieważ obciążenie bierze 100%, więc pozostałe 10% jest przekazywane zwrotnie przez falownik główny i absorbowane w baterii w postaci prądu ładującego.

Pomiędzy dwoma falownikami zachodzi więc ciekawy podział pracy.

Falownik główny pracuje synchronicznie z siecią i utrzymuje stabilizowane napięcie wyjściowe w każdym trybie pracy1. (W czasie pracy z baterii jego częstotliwość jest kontrolowana wewnętrznym generatorem). Falownik delta steruje wejściowym współczynnikiem mocy, ładowaniem baterii – przez "importowanie" więcej lub mniej mocy z sieci niż pobierana moc obciążenia oraz dodaje kompensacyjne napięcie różnicowe pomiędzy napięciem sieci a napięciem wyjściowym.

Jeśli w czasie pracy występuje ładowanie baterii, falownik główny przepuszcza nadmiar mocy pobranej z sieci do baterii, ale sterowanie ładowania jest wykonywane przez falownik delta.


Własności nowego systemu


W tej części pokazano zbiór wykresów pokazujących zalety nowego systemu.

Rys.10 pokazuje globalną sprawność w zależności od obciążenia i napięcia sieci w granicach ±15% nominału. £atwo zauważyć, że sprawność jest wyjątkowo wysoka; krzywa jest płaska i niezależna od napięcia sieci. Praktycznie oznacza to niskie straty – również w nieidealnych warunkach.

Rys.11 pokazuje przebieg współczyn­nika mocy na wejściu, w warunkach podobnych jak poprzednio. I znów daje się zauważyć, że współczynnik mocy przekracza wartość 0.99 w szerokim zakresie pracy.

Rys.12 pokazuje przebieg napięcia wejściowego i wyjściowego UPS-a w czasie zaniku i powrotu napięcia sieci. Ilustracja ta ma na celu definitywną odpowiedź na pytanie czy omawiany UPS jest czy nie jest UPS-em typu on-line.

Jak widać, zarówno zanik jak i powrót zasilania sieciowego nie ma żadnego wpływu na przebieg napięcia wyjściowego, więc:

ten UPS jest typu on-line.


Rys.10


Rys.11


Rys.12

Warto też zastanowić się co należałoby zmienić w UPS-ie tradycyjnym tak, aby pod względem zakłóceń sieciowych był porównywalny z UPS-em delta.



Zmiany te zilustrowano schematycznie na rys 14. Ale nawet po dodaniu tych podzespołów, których koszt byłby istotnie wysoki, UPS o podwójnej konwersji nie dorówna modelowi typu delta pod względem sprawności.

Warto więc z pewną rezerwą podchodzić do wyjątkowo wysokich sprawności podawanych przez niektórych dostawców UPS-ów tradycyjnych.

Podawane dane dotyczą wówczas pracy urządzenia na obejściu, kiedy nie występuje stabilizacja napięcia wyjściowego, czyli system pracuje w trybie off line, nawet jeśli nominalnie jest systemem on line.

Mówi się o niektórych systemach, że są "inteligentne" i że normalnie pracują w trybie off line – jeśli pojawia się zbyt wiele problemów z siecią zasilającą, systemy te przełączą się automatycznie na pracę on line. Ale wtedy może być już być za późno i użytkownik może mieć kłopoty z zachowniem ciągłości pracy i danymi w systemie komputerowym.

Zawsze jednak gdy takie systemy zasilajace pracują w trybie on line , nie będą one miały sprawności wyższej niż to wynika z ich budowy. Wszystkie więc manewry parametrami (jak np. podawanie wysokiej sprawności nominalnej, która w rzeczywistości dotyczy trybu off line) wydają się służyć temu aby nie powiedzieć klientowi do końca prawdy poprzez używanie zagmatwanych specyfikacji.




Tabela porównawcza

Podstawowe własności

UPS o podw. konwersji

(6 pulsowy)



UPS o pojed. konwersji

UPS o kon­wersji delta

Praca True On Line

Tak

Tak

Tak

Prawdziwa dwustronna filtracja

Tak

Tak

Tak

Harmoniczne na wejściu

Tak >30%

Nie

Nie

Wej. wsp. mocy = 1

Nie

Nie, ale można kompensować

Tak

Straty energii, systemy małe,
do 10kVA

>10 – 15%

<8%

<5%

Straty energii, systemy duże,
10kVA do 100kVA

> 8–12%

< 5%

< 4%

Straty energii, systemy b. duże,
powyżej 100kVA

>6.5 – 10%

< 4%

< 3%

Zdolność do zasilania obciążenia SMPS bez zmniejszenia mocy

Tak

Tak

Tak




Rys.13





Rys.14








1 – Z wyjątkiem nie omawianej tu pracy na obejściu.



©absta.pl 2016
wyślij wiadomość

    Strona główna