E_I_12_2005.indb

w w w. e l e k t r o . i n f o . p l

n r 1 2 / 2 0 0 5

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

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.

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

a pewność działania musi być
znacznie większa niż w prostych

urządzeniach stosowanych np.
w szkolnictwie, sklepach, na poczcie,
itp. Aby ją osiągnąć, konieczne są
urządzenia o specjalnej budowie, np.
UPS-y o podwyższonej pewności
działania.

wymagania

dla UPS-ów o podwyższonej

pewności działania

Przemysłowy UPS o podwyższo-

nej pewności działania powinien za-
pewniać:



możliwość zasilania z dowolne-

go źródła napięcia przemienne-
go, przy czym prąd pobierany z te-
go źródła powinien mieć jak naj-
mniejszą zawartość wyższych har-
monicznych [5], np. THDi <10 %,



galwaniczną izolację między źró-

dłem zasilania a dalszą częścią
UPS-a,



możliwość zasilania z dwóch nie-
zależnych systemów bateryjnych,



izolację falownika UPS-a od obwo-

dów zasilanych z wyjścia UPS-a,



UPS powinien być wyposażo-

ny w układ obejściowy – ang.

bypass

, w specjalnym przypad-

ku może on być izolowany przez
transformator,



UPS powinien być wyposażony

w system nadzoru, gwarantujący
współpracę z systemem nadzoru
baterii.

wybór koncepcji

układu UPS-a o podwyższonej

pewności działania

W celu spełnienia tych wyma-

gań przeanalizowano zastosowanie
trzech różnych schematów UPS-ów:
z podwójną konwersją w układzie
beztransformatorowym [5], z po-
dwójną konwersją z transformatorem
wyjściowym [5] i z podwójną konwer-
sją z izolacją galwaniczną od wejścia
i wyjścia układu [5].

Po analizie przedstawionych na ry-

sunkach schematów, najwięcej wy-

Rys. 1 Schemat UPS-a bez transformatora od strony wejścia i wyjścia

Rys. 2 Schemat UPS-a z izolacją między wyjściem falownika

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

magań spełnia układ UPS-a, które-
go schemat przedstawiono na

ry-

sunku 3. Dalsza poprawa pewności
działania układu zasilania jest moż-
liwa dzięki równoległemu połącze-
niu dwóch UPS-ów. Takie rozwiąza-
nie przedstawia

rysunek 4.

Badania pewności działania takie-

go układu UPS-a zostały przeprowa-
dzone na podstawie analizy matema-
tycznej. W celu eliminacji zakłóceń
w działaniu UPS-ów, wynikających
z zakłóceń w pracy falownika, UPS
wyposażono w elektroniczny układ
obejściowy. Układ ten może przeno-
sić energię zarówno od falownika do
wyjścia UPS-a, jak i od sieci rezerwo-
wej do wyjścia.

elementy składowe układu

Prostownik podstawowy wej-

ściowy

Zastosowano tu układ prostownika

wielopulsowego (12-pulsowego), któ-
rego schemat przedstawia

rysunek 5

[1, 5]. Układ zapewnia izolację od sie-
ci zasilającej. Zastosowany w ukła-
dzie prostownika podstawowego
ﬁltr wejściowy umożliwia ogranicze-
nie THDi. Wyniki badań pod wzglę-
dem zawartości wyższych harmonicz-
nych przedstawia

rysunek 6, gdzie

THDi układu bez ﬁltrów, przy obcią-
żeniu znamionowym wynosi ok. 10 %
(rys. 6a), a dla układu z ﬁltrem około
6 %

(rys. 6b). Aby zapewnić właściwe

ładowanie podstawowej baterii UPS-a,
układ wyposażono w zasilacz bateryj-
ny, którego schemat przedstawiono
na

rysunku 7.

Prostownik bateryjny w czasie pra-

cy ustalonej – ładowanie buforowe,
utrzymuje stałe napięcie baterii. Na-
pięcie to jest kompensowane termicz-
nie, zgodnie z wymogami EUROBAT.
Napięcie buforowe baterii w stanie
pracy normalnej UPS-a jest mniejsze
niż napięcie w obwodzie wyjściowym
prostownika podstawowego. Dzięki
podłączeniu baterii przez diodę D0
do obwodu zasilania falownika, prąd
zasilający falownik w stanie ustalo-
nym pochodzi tylko z prostownika
podstawowego. Natomiast przy zani-
ku napięcia sieci, do zasilania wejścia
falownika włącza się bateria. W sta-
nie rozładowania bateria ładowana
jest prądem stałym, zgodnie z EURO-
BAT [2].

Falownik
Opisywany UPS został zaprojek-

towany do zasilania odbiorów 230 V
o częstotliwości 50 Hz. Z tego powo-
du do podstawowej realizacji ukła-
du użyto czterotranzystorowego fa-
lownika mostkowego z transformato-
rem wyjściowym [1, 2]. Układ stero-
wania falownika zbudowano na pod-
stawie mikroprocesora DSP. Umożli-
wia to otrzymanie na wyjściu napię-
cia sinusoidalnego o bardzo małej za-

Rys. 5 Prostownik 12-pulsowy

Rys. 6 Oscylogramy prądu pobieranego z sieci przez UPS-a (12-pulsowy prostownik

podstawowy) oraz napięcie wyjściowe z prostownika (U

=250 V; I=67 A):

a) układ bez ﬁltru, b) układ z ﬁltrem

Rys. 7 Zasilacz bateryjny

Rys. 8 Schemat blokowy falownika

wartości wyższych harmonicznych –
THDu około 2 %.

połączenie równoległe

dwóch UPS-ów

Schemat przedstawiony na

rysun-

ku 9 pozwala na obliczenie niezawod-
ności (pewności) działania dwóch
UPS-ów połączonych równolegle [3].
Jest on przekształconym schematem
z

rysunku 4. Oznaczenia odpowied-

nich bloków układu oznaczają jedno-
cześnie ich niezawodności (pewności)
działania, i tak: P

– prostownik pod-

stawowy o P

niezawodności (pew-

ności) działania, F – falownik wraz
z układem sterowania o F niezawod-
ności (pewności) działania, B

i B

–

niezawodność (pewność) pracy bate-
rii podstawowych UPS-a i baterii do-
datkowych, D1, D2, D

– niezawod-

ność (pewność) pracy diod, P

– nie-

zawodność (pewność) pracy przełącz-
nika elektronicznego.

Uwzględniając podane wyżej ozna-

czenia niezawodności (pewności) pra-
cy elementów dla pojedynczego UPS-a
do umownej granicy – linia A–A,
otrzymujemy:

Wyrażenie to oznacza niezawodność

(pewność) pracy pojedynczego UPS-a.

Rys. 9 Połączenie równoległe 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

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. 14 Prąd i napięcie wyjściowe przy załączeniu obciążenia liniowego. Skok ob-

ciążenia od 0 do 100 %

Rys. 11 Napięcie wyjściowe przy obciążeniu odbiornikiem liniowym (U

=230 V,

=66 A

Rys. 10 Przebieg napięcia wyjściowego falownika przy obciążeniu liniowym

=230 V, I

=66 A)

Natomiast niezawodność (pewność) ca-
łego układu połączonych równolegle
UPS1 i UPS2, wyznacza zależność:

UPS

= − −

(

)

⋅ −

(

)



⋅

1 1

Wyłączenie z pracy jednego z blo-

ków P

, B

i B

nie wyłącza z pra-

cy całej gałęzi np. UPS1 lub UPS2.
Gałąź UPS1 lub UPS2 zostaje wyłą-
czona dopiero przy wyłączeniu fa-
lownika – blok F. Z kolei wyłącze-
nie z pracy bloku P

powoduje wy-

łączenie całego systemu równolegle
pracujących UPS-ów. Z tego powodu
niezawodność (pewność) pracy blo-
ku P

jest zagadnieniem pierwszo-

planowym.

wyniki badań

laboratoryjnych

zaproponowanych układów

Przedstawiony układ równoległego

połączenia dwóch UPS-ów z podwój-
ną izolacją poddano badaniom labo-
ratoryjnym

(rys. 10, 11, 12, 13, 14).

Opracowany schemat UPS-a o zwięk-
szonej pewności pracy spełnia okre-
ślone na poczatku wymagania:



pobiera z sieci prąd o niskiej za-

wartości harmonicznych – THDi
<10 %. THDi prądu pobieranego
z sieci w układzie bez ﬁltru wej-
ściowego wynosi 9,8 %, z ﬁltrem
5,6 %,



napięcie wyjściowe z UPS-a ma
kształt sinusoidalny o współczyn-
niku THDu około 1 %,



układ zachowuje się poprawnie

przy obciążeniu liniowym i nieli-
niowym oraz przy zwarciach na
wyjściu UPS-a,



zastosowanie  układu  równole-
głego połączenia dwóch UPS-ów
zwiększa  pewność  pracy  całe-
go  urządzenia  gwarantując  bez-
przerwowe  zasilanie  odbiorów
w przypadku  wyłączenia  lub
awarii jednego z dwóch UPS-ów
oraz  zapewnia  lepsze  (szybsze)
działanie  zabezpieczeń  na  po-
szczególnych  odbiorach  w przy-
padku wystąpienia zwarcia. Przy
pracy  równoległej  prąd  zwarcio-
wy  jest  sumą  prądów  UPS-a 1
oraz UPS-a 2, co znacznie skraca
czas  zadziałania  zabezpieczenia
odpływu,  w którym  wystąpiło
zwarcie, i powrotu prawidłowego
napięcia na wyjściu systemu. Ma
to  istotne  znaczenie  dla  prawi-
dłowej pracy pozostałych odbio-
rów  oraz  dla  warunków  bezpie-
czeństwa  (na

rysunku 13 poka-

zano przypadek zachowania się
całego systemu przy zwarciu na
wyjściu: sumaryczny prąd zwar-
ciowy systemu 2×15 kVA jest na
poziomie 780 A).



przyjęta konstrukcja obwodu pro-
stownika wejściowego w każdym
z UPS-ów umożliwia dodatko-
we zasilanie każdego z nich z od-
dzielnej baterii.

Od redakcji: Literatura do artyku-

łu na

www.elektro.info.pl.

Rys. 12 Napięcie wyjściowe przy obciążeniu odbiornikiem nieliniowym

=230 V, amplituda prądu I

=150 A)

Rys. 13 Praca urządzenia przy zwarciu na wyjściu dwóch równolegle połączonych

UPS-ów (U

=230, prąd zwarcia I

=780 A)