24

www.elektro.info.pl

7/2002

bezstykowe

³¹czniki

pr¹du przemiennego

(static transfer switch)

Wzrastaj¹cy wci¹¿ stopieñ

nasycenia uk³adami

energoelektronicznymi

i komputerowymi stawia nowe

niezbêdne wyzwania przed

wspó³czesnymi systemami

zasilania energi¹ elektryczn¹.

W zwi¹zku z zaistnia³¹ sytuacj¹,

konieczne staje siê zapewnienie

wysokiej jakoœci dostarczanej

energii. Norma Europejska

EN50160 wymienia piêæ g³ównych

parametrów jakoœciowych energii

elektrycznej: czêstotliwoœæ,

wartoœæ napiêcia, zawartoœæ

wy¿szych harmonicznych

decyduj¹cych o kszta³cie krzywej

napiêcia, symetriê napiêæ

w sieciach trójfazowych oraz

ci¹g³oœæ zasilania.

W

artykule zostan¹
przedstawione spo-
soby poprawy para-

metrów jakoœciowych energii
elektrycznej przy pomocy bez-
stykowych ³¹czników pr¹du
przemiennego (static transfer
switch). N iskie parametry ja-
koœciowe energii prowadz¹ do
wymiernych strat ekonomicz-
nych zwi¹zanych z przerwa-
niem procesów produkcyjnych,
utrat¹ danych komputerowych,
zagro¿eniem katastrof¹ budow-
lan¹ lub ekologiczn¹, kosztami
ponownego uruchomienia pro-
dukcji. W wielu miejscach brak
poprawnego zasilania prowa-
dzi do utraty zdrowia lub ¿ycia
ludzi.

przeznaczenie

STS-ów

£¹czniki typu Static Transfer

Switch (STS) s¹ przeznaczone
do bezstykowego prze³¹czania
jedno- lub trójfazowych (3- i 4-

torowych) obwodów napiêcia
przemiennego. W odró¿nieniu
od klasycznej automatyki samo-
czynnego za³¹czenia rezerwy
(SZR), prze³¹czenie nastêpuje
oko³o 20 razy szybciej (typowo
1/4 okresu), co pozwala na za-
chowanie ci¹g³oœci pracy naj-
czulszych na przerwy w zasila-
niu odbiorników. Powrotne prze-
³¹czenie obci¹¿enia na liniê
preferowan¹ nastêpuje prak-
tycznie bezprzerwowo (typowo
100

µs).

Podstawowym miejscem sto-

sowania STS-ów s¹ obwody ste-
rowania i automatyki energe-
tycznej, systemy zasilania
w przemyœle petrochemicznym,
centra komputerowe i telekomu-
nikacyjne, sale operacyjne i od-
dzia³y intensywnej opieki me-
dycznej, instalacje automatyki
i zabezpieczeñ inteligentnych
budynków oraz inne odbiorniki
wra¿liwe na chwilowe zaniki
napiêcia zasilaj¹cego. Du¿a
przeci¹¿alnoœæ pr¹dowa ³¹cz-
ników typu static transfer switch

dr in¿. Wojciech Warda

wraz z algorytmem prze³¹cza-
nia na Ÿród³o o wiêkszej wy-
dajnoœci pr¹dowej pozwala na
szybkie izolowanie (od³¹cza-
nie) zwaræ fragmentów sieci
i zapewnienie poprawnego zasi-
lania pozosta³ych odbiorników.
Wbudowane uk³ady ochrony
przepiêciowej ³¹czników tyrys-
torowych s¹ dodatkowym za-
bezpieczeniem odbiorników
przed uszkodzeniem.

zasada

dzia³ania

Bezstykowy £¹cznik Pr¹du

Przemiennego serii SS (jednofa-
zowy) jest zbudowany z dwóch
dwukierunkowych ³¹czników
tyrystorowych, wyposa¿onych
w uk³ady zabezpieczaj¹ce
i system sterowania. Sterowanie
jest zrealizowane w oparciu
o logikê CMOS i mikroprocesor
sygna³owy DSP (digital signal
processing). Linie wejœciowe
i linia wyjœciowa s¹ zabezpie-
czone warystorowymi ochronni-
kami przeciwprzepiêciowymi
ograniczaj¹cymi chwilowe na-
piêcie do bezpiecznego pozio-
mu. System sterowania wykry-
wa zanik napiêcia linii prefero-
wanej, sprawdza poprawnoϾ
napiêcia linii rezerwowej, wiel-
koœæ pr¹du linii wyjœciowej
i stan synchronizacji oraz b³¹d
fazy pomiêdzy napiêciami obu
linii. Na podstawie wymienio-
nych danych za³¹cza odpo-
wiedni dwukierunkowy ³¹cznik
tyrystorowy.

W zale¿noœci od konfiguracji

sieci, rodzaju Ÿróde³ zasilania
i charakteru odbiorników, s¹
programowane wartoœci kry-
tyczne parametrów oraz sposo-
by reagowania na okreœlone za-
burzenia dystrybucji energii.
Prze³¹czenie linii wyjœciowej
jest wymuszane przez:

n

przekroczenie ustalonego
przedzia³u przez napiêcie
za³¹czonej linii,

n

rêczne lub zdalne prz e ³ ¹-
czenie linii preferowanej,

n

przekroczenie limitu pr¹du li-
nii wyjœciowej (wspó³praca
z falownikiem).
Prze³¹czenie linii wyjœcio-

wej jest zabronione w przypad-
ku z³ej wartoœci napiêcia na li-
nii rezerwowej i przekroczenia
limitu pr¹du linii wyjœciowej
(system lokalnych STS-ów).
Prze³¹czenie linii wyjœciowej
jest opóŸnione w przypadku
braku synchronizacji linii oraz
przekroczenia limitu fazy miê-
dzy napiêciami linii podstawo-
wej i rezerwowej.

Gdy oba napiêcia linii zasila-

j¹cych s¹ poprawne i zsynchro-
nizowane (b³¹d fazy poni¿ej
ustalonego limitu), to prz e ³ ¹-
czenie wywo³ane rêczn¹ lub
zdaln¹ zmian¹ linii podstawo-
wej, nastêpuje w czasie mniej-
szym ni¿ 100

µs. Prze³¹czenie

wywo³ane z³ymi parametrami
linii preferowanej jest zale¿ne
od stanu obu linii – w przypad-
ku linii zsynchronizowanych
i b³êdu fazy poni¿ej limitu,
nastêpuje prze³¹czenie na liniê
rezerwow¹ w czasie poni¿ej
6 ms, a brak synchronizacji linii
wymusza programowan¹ (12,
25, 50 ms) zw³okê miêdzy
wy³¹czeniem sterowania tyrys-
torów linii preferowanej i z a ³ ¹-
czeniem tyrystorów linii rezer-
wowej.

Bezstykowy £¹cznik Pr¹du

Przemiennego serii SST (trójfa-
zowy 3-torowy) jest zbudowany
ze wspó³pracuj¹cych ze sob¹
trzech ³¹czników jednofazo-
wych. £¹cznik serii SSTN (trój-
fazowy 4-torowy) jest dodatko-
wo wyposa¿ony w ³¹cznik
prze³¹czaj¹cy przewód neut-
ralny. W obu przypadkach ob-
ci¹¿alnoœæ toru neutralnego
wynosi 200% obci¹¿alnoœci
toru fazowego. Obwody stero-

F

26

www.elektro.info.pl

7/2002

ry asymetrii napiêæ trójfazo-
wych wymuszaj¹ce prze³¹cze-
nie linii wyjœciowej. Urz¹dzenia
s¹ wyposa¿one w uk³ady me-
chanicznych ³¹czników serwi-
sowych umo¿liwiaj¹cych kon-
serwacjê STS-a. Prze³¹czenie
serwisowe nastêpuje z zacho-
waniem ci¹g³oœci zasilania od-

biorników z przerw¹ poni¿ej
100

µs. Opcjonalnie ³¹czniki

serwisowe mog¹ byæ wyposa-
¿one w system blokad mecha-
nicznych eliminuj¹cy b³êdy ob-
s³ugi przy prze³¹czeniu.

Bezstykowe ³¹czniki pr¹du

przemiennego zosta³y opraco-
wane przy wykorzystaniu zasad

projektowania systemów
fault tolerant. Wewnêtrzna
redundancja systemów za-
silania, uk³adów pomiaro-
wych, sterowników ³¹czni-
ków tyrystorowych i uk³a-
dów ch³odzenia wraz z uk-
³adem wewnêtrznego mo-
nitoringu podzespo³ów,
pozwoli³a na osi¹gniê-
cie bardzo wysokiej nieza-
wodnoœci zasilania odbior-
ników.

cechy

³¹czników

STS

n

tworzenie systemów
z redundancj¹ (prz e ³ ¹-
czanie pomiêdzy nieza-
le¿nymi liniami elektro-
energetycznymi, ró¿ny-
mi UPS-ami i agregata-
mi pr¹dotwórczymi);

n

izolacja uszkodzonego
odbiornika w systemach
podwójnego zasilania;

n

krótki czas prze³¹czania (ty-
powo 4 ms);

n

eliminacja zapadów i przerw
napiêcia na obci¹¿eniu
(prze³¹czenie);

n

eliminacja zmian wartoœci
napiêcia na obci¹¿eniu po-
wy¿ej ustalonego limitu;

n

sterowanie ³¹cznikami
w oparciu o technologiê
CMOS i oprogramowanie
DSP (digital signal proces-
sing) w celu zapewnienia
szybkoœci prze³¹czania
i ma³ej wra¿liwoœci na zak-
³ócenia;

n

wewnêtrzna redundancja
systemów zasilania, uk³a-
dów pomiarowych, sterowni-
ków, ³¹czników tyrystoro-
wych (eliminacja punktów
mog¹cych unieruchomiæ
system);

n

niskie koszty instalacji i eks-
ploatacji w

porównaniu

z systemami UPS;

n

uk³ad ³¹czników obejœcio-
wych umo¿liwiaj¹cych ser-
wis STS-a bez przerwy w za-
silaniu;

n

mo¿liwoœæ zdalnego prze-
³¹czania Ÿród³a zasilaj¹ce-
go;

n

sygnalizacja stanów pracy
urz¹dzenia i linii zasilaj¹-
cych;

n

interface komunikacyjny
RS232/RS485;

n

pomiar A, V, kW, kVar.

konfiguracje

pracy

Uk³ad wspó³pracy STS-a

z rozdzielni¹ (PDU power distri-
bution unit) jest zestawem pro-
dukowanym przez czo³owych
producentów œwiatowych. Na
etapie produkcji jest mo¿liwa
prosta realizacja monitorowania
obwodów rozdzielni w oparciu
o system sterowania static
switch-a. Prze³¹czenie na wej-

wania trójfazowych bezstyko-
wych ³¹czników pr¹du prze-
miennego serii SST i SSTN za-
wieraj¹ programowane detekto-

Rys. 1 Schemat bezstykowego

³¹cznika pr¹du przemiennego

z kompletem ³¹czników

serwisowych

Rys. 2 Schemat blokowy sterowania bezstykowego ³¹cznika pr¹du przemienne-

go

Rys. 5 Redundowany system zasilania obwodów steruj¹cych bezstykowego

³¹cznika pr¹du przemiennego

Rys. 6 Uk³ad wspó³pracy STS-a

z rozdzielni¹

œcie rezerwowe nastêpuje w
przypadku przekroczenia do-
puszczalnej tolerancji przez na-
piêcie wejœcia preferowanego.
Zasilanie wejœcia STS-a z syste-
mu UPS pozwala prze³¹czyæ
zasilanie na ¿¹danie UPS-a,
spowodowane na przyk³ad roz-
³adowan¹ bateri¹. Prze³¹cze-
nie nastêpuje bezprzerwowo
jeszcze przed zanikiem napiêcia
UPS-a preferowanego.

Uk³ad wspó³pracy dwóch

STS-ów z rozdzielni¹ dwusek-
cyjn¹ i sprzêg³em miêdzysek-
cyjnym pozwala na niezale¿n¹
pracê obu zestawów static tran-
sfer switch – sekcji rozdzielni.
Mo¿liwe jest bezprzerwowe
prze³¹czenie obu sekcji roz-
dzielni na jeden STS. Za³¹cze-
nie roz³¹cznika sprzêg³owego
nastêpuje po uprzednim prze-
³¹czeniu serwisowym obu STS-
ów na jedn¹ z linii zasilaj¹cych.

Po od³¹czeniu jednego STS-a
mo¿liwa jest samodzielna praca
drugiego na obie sekcje rozdziel-
ni.

Samodzielny falownik napiê-

cia o ograniczonym pr¹dzie wyj-
œciowym jest podatny na zwar-
cia i przeci¹¿enia objawiaj¹ce
siê spadkami i zapadami napiê-
cia wyjœciowego. Dodanie sie-
ciowego toru obejœciowego
przez STS na wyjœciu falownika
(rys. 8) pozwala na eliminacjê
zapadów napiêcia. Prze³¹cze-
nie na liniê rezerwow¹ nastêpu-
je w przypadku przekroczenia
dopuszczalnej tolerancji przez
wyjœciowe napiêcie falownika
lub w przypadku przekroczenia
maksymalnego pr¹du (skróce-
nie czasu przepalania bezpiecz-
ników w zasilanych obwodach).

Uk³ad lokalnych STS-ów

z podwójnym systemem zasila-
nia. Klasyczny system zasilania

F

jest podatny na dystrybucjê za-
padu napiêcia do wszystkich
odbiorników do³¹czonych poni-
¿ej miejsca zwarcia lub silne-
go przeci¹¿enia. Zjawisko to
szczególnie mocno daje o sobie
znaæ w przypadku Ÿróde³
o ma³ej wydajnoœci pr¹dowej,
jakimi s¹ falowniki tranzystoro-
we (UPS). Zastosowanie uk³a-
du przedstawionego na rys. 9,
pozwala na eliminacjê zapadów
napiêcia zasilaj¹cego. Prz e ³ ¹-
czenie lokalnych STS-ów na li-
niê rezerwow¹ nastêpuje
w przypadku przekroczenia do-
puszczalnej tolerancji przez
napiêcie linii preferowanej.
Prze³¹czenie jest blokowane

Rys. 3 Prze³¹czenie SS na liniê

rezerwow¹ spowodowane

zanikiem napiêcia w linii

preferowanej (góra – napiêcie

linii preferowanej,

dó³ – napiêcie wyjœciowe)

Rys. 4 Wymuszone prze³¹czenie SS

– linie niezsynchronizowane

(góra – napiêcie linii

preferowanej, dó³ – napiêcie

wyjœciowe)

28

www.elektro.info.pl

7/2002

w przypadku przekrocze-
nia limitu pr¹du odbiorni-
ka danego STS-a. Nastê-
puje izolacja uszkodzone-
go odbiornika (pracuje ca-
³y czas na tej samej linii
w czasie, gdy pozosta³e
STS-y prze³¹czaj¹ na
sprawn¹ liniê zasilaj¹c¹).

wnioski

Systemy zasilania z zastoso-

waniem bezstykowych ³¹czni-
ków pr¹du przemiennego poz-
walaj¹ na poprawê jakoœci
energii elektrycznej przez prak-
tycznie bezprzerwowe prz e ³ ¹-
czenia na Ÿród³a o aktualnie
lepszych parametrach. Eliminu-
je siê przerwy i zapady napiê-
cia zasilaj¹cego w sposób nie-
zauwa¿alny dla odbiorników. Ze
wzglêdu na wysok¹ sprawnoœæ

(brak przetwarzania energii),
³¹czniki pozwalaj¹ na poprawê
jakoœci przy niskich kosztach in-
stalacyjnych i eksploatacyjnych.
Szczególnie w przypadku du-
¿ych mocy jednostkowych
³¹czniki s¹ praktycznie jedy-
nym rozwi¹zaniem zapewnienia
bezprzerwowego zasilania.

&

literatura

1. Materia³y firmowe „Bezstykowe

³¹czniki pr¹du przemiennego du-

¿ej mocy”, MEDCOM Sp. z o.o.

2. W. Warda „Zabezpieczenia w sys-

temach rezerwowego zasilania

pr¹dem przemiennym”, IV konfe-

rencja „Systemy gwarantowanego

zasilania w instalacjach energe-

tycznych”.

MEDCOM Sp. z o.o.

ul. Barska 28/30

02-315 Warszawa

tel. [phone]
tel. [phone]

fax [phone]

[e-mail]

www.medcom.com.pl

Rys. 9 Uk³ad lokalnych STS-ów z dwutorowym systemem zasilania

Rys. 7 Uk³ad wspó³pracy dwóch STS-ów z rozdzielni¹ dwusekcyjn¹ i sprzêg³em miêdzysekcyjnym

Rys. 8 Uk³ad wspó³pracy STS-a

z falownikiem