Analizując parametry jakości energii elektrycznej w obiekcie, zawsze należy przeprowadzić analizę obecności wyższych składowych harmonicznych.
Częstotliwości harmoniczne są wprowadzane do sieci zasilania przez urządzenia systemu elektroenergetycznego o charakterystyce nieliniowej, jak zasilacze UPS – te generują wyższe harmoniczne w przebiegu prądu na wejściu. Warto zrozumieć, na jakiej zasadzie powstają wspomniane częstotliwości harmoniczne oraz jakie rozwiązania projektowe beztransformatorowych zasilaczy UPS pozwalają złagodzić ich niekorzystne oddziaływanie na system elektroenergetyczny.
Konwertery/prostowniki
Zadaniem prostownika w zasilaczu UPS jest przetwarzanie przemiennego napięcia zasilania na stałe. Typ prostownika wpływa na zawartość wyższych harmonicznych.
Najczęściej stosowane są w tym celu 6-pulsowe prostowniki diodowe, 6-pulsowe i 12-pulsowe prostowniki z tyrystorami triodowymi blokującymi wstecznie (SCR) czy w końcu tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT). W przypadku zastosowania konwertera z tranzystorem IGBT nie ma konieczności stosowania transformatora.
Wspomniany 12-pulsowy prostownik tyrystorowy SCR wykorzystuje natomiast izolowany transformator, w połączeniu z dwoma 6-pulsowymi tyrystorami SCR. Izolowany transformator powoduje przesunięcie fazowe o kąt 30°. Tyrystory zaś będą naprzemiennie generować podwójną liczbę impulsów. W rezultacie 12-pulsowy prostownik tyrystorowy SCR wprowadza mniejszą zawartość składowych harmonicznych niż pojedynczy 6-pulsowy, umożliwiając stosowanie mniejszego filtra harmonicznych.
Konwerter wykorzystujący mostek diodowy jest rozwiązaniem zbliżonym do zastosowania 6-pulsowych tyrystorów SCR, z tą różnicą, że diody wykorzystują zjawisko komutacji naturalnej (w wyniku załączenia łącznika wstępującego łącznik ustępujący zostaje wyłączony). Co ważne, to rozwiązanie jest bardziej wydajne oraz generuje mniejsze harmoniczne w porównaniu z tradycyjnym prostownikiem tyrystorowym SCR.
Każdy prostownik, niezależnie od wykorzystywanej technologii, będzie generować przebiegi harmoniczne. Wszystkie elementy prostujące, z wyjątkiem tranzystorów IGBT, powodują powstanie składowych harmonicznych większych niż dopuszczalne, chociażby w systemach zasilania awaryjnego. Z tego powodu stosuje się filtry wejściowe – aby obniżyć współczynnik zawartości harmonicznych THD do poziomu mniejszego niż 10% dla prądu wejściowego. Taki filtr wejściowy to nic innego jak odpowiednio dobrane cewki – dławiki połączone równolegle z kondensatorami. Dalsze tłumienie składowych harmonicznych następuje dzięki indukcyjności linii pochodzącej z transformatora (jeżeli taki występuje w układzie).
Na rys. przedstawiono przebiegi ze składowymi harmonicznymi w prądzie wejściowym, odpowiednio dla każdego ze wspomnianych rozwiązań.
Producenci coraz częściej stosują tranzystory IGBT w konwerterach, jednak sporą popularnością cieszy się wykorzystywanie tradycyjnej logiki tyrystorów SCR. Mimo wolniejszego procesu konwersji to rozwiązanie jest bardziej wydajne (mniejsze straty związane z przełączaniem). W takim przypadku tranzystor IGBT będzie wciąż generował więcej harmonicznych, co będzie wymagało dodania filtra harmonicznych na wejściu (podobnie jak wcześniej opisane filtry na wejściu prostowników z tyrystorami SCR).
Problemem stosowanych obecnie filtrów do tłumienia składowych harmonicznych w zasilaczach UPS jest wartość współczynnika mocy dla małych obciążeń. W momencie gdy układ z UPS-em pracuje na niewielkim obciążeniu, stosunek pojemności filtra wejściowego do obciążenia jest bardzo duży, co skutkuje wyprzedzającym współczynnikiem mocy (leading – prąd w obciążeniu wyprzedza napięcie). Taki współczynnik mocy może skutkować problemami z kompatybilnością generatora. Aby temu zapobiec, konieczne jest zastosowanie aktywnego filtra na wejściu (filtr harmonicznych z kondensatorów załączanych w zależności od poziomu obciążenia) albo rozłączenie filtra wejściowego. W obu przypadkach obserwuje się wzrost generowanych harmonicznych.
Tak zwane sztuczne zero
Zakłócenia w przebiegu międzyfazowym, które są generowane przez wysoką częstotliwość przełączania w systemie UPS, można łatwo tłumić za pomocą filtrów wejścia/wyjścia. Wówczas jednak nie są tłumione zakłócenia w przebiegu fazowym, ze względu na brak fizycznego przewodu neutralnego.
W takim przypadku należałoby zastosować tzw. sztuczne zero – połączenie końców kondensatorów w punkt wspólny, w filtrach na wejściu i wyjściu, a następnie połączenie obu punktów wspólnych. Skutkuje to dodatkowym filtrowaniem harmonicznej zerowej w przebiegach fazowych, zarówno na wejściu do prostownika, jak i wyjściu z inwertera. Dodatkowo podczas zasilania z akumulatorów stycznik sieciowy pozostaje otwarty i dzięki temu można pominąć wpływ składowej harmonicznej zerowej.
Potencjał „sztucznego zera” jest pochodną trójfazowego napięcia na wejściu. Pomiędzy punktem połączenia filtrów wejścia/wyjścia a masą układu stosuje się dodatkowy kondensator. W normalnych warunkach pracy prąd i napięcie na tym kondensatorze są znikome (wspólny potencjał „sztucznego zera” oraz masy). Wartość skuteczna napięcia pomiędzy przewodem fazowym a masą będzie tożsama z wartością skuteczną napięcia pomiędzy przewodem fazowym a „sztucznym zerem”. Harmoniczna zerowa jest niwelowana na wyjściu.
Podsumowanie
Tradycyjne prostowniki diodowe i tyrystorowe powodują powstanie składowych harmonicznych większych niż dopuszczalne, wymagają zatem stosowania filtrów, aby złagodzić ich niekorzystne działanie. Najlepszym rozwiązaniem wydaje się zastosowanie tranzystorów IGBT, pozwalające na osiągnięcie dla przebiegu prądu współczynnika zawartości harmonicznych mniejszego niż 10%, bez stosowania transformatora. Małe filtry na wejściu i wyjściu zasilacza UPS dodatkowo pozwalają na zniwelowanie składowej harmonicznej zerowej, wykorzystując połączenie przez tzw. sztuczne zero. W tym układzie harmoniczne są ograniczane na wyjściu z inwertera.
Autor: John Steele jest kierownikiem technicznym w firmie Mitsubishi Electric Power
Products Inc.
Tekst pochodzi z nr 4/2017 magazynu „Inżynieria i Utrzymanie Ruchu”. Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.
