Pomiary ewaluacyjne statycznych zasilaczy bezprzerwowych UPS

Pomiary ewaluacyjne statycznych zasilaczy bezprzerwowych UPS

Pomiary ewaluacyjne statycznych zasilaczy bezprzerwowych UPS

W artykule opisano zestaw pomiarów i testów, które mogą posłużyć do oceny jakości pracy statycznych zasilaczy bezprzerwowych UPS. Zasilacze tego typu to układy energoelektroniczne wyposażone w zasobniki energii (na ogół akumulatory), które służą do podtrzymywania zasilania dla odbiorów wrażliwych na zaniki zasilania, ale także do poprawy jakości napięcia względem sieci elektroenergetycznej.


Do wykonania pełnego spektrum pomiarów opisanych w artykule niezbędny jest analizator jakości energii elektrycznej, multimetry i oscyloskop, czyli dość kosztowny zestaw przyrządów pomiarowych, ale w przypadku zakupu zasilaczy o dużej mocy lub znacznej liczby zasilaczy warto ponieść koszt tych pomiarów. Pozwoli to ustrzec się przed problemami, które mogą wystąpić podczas eksploatacji wadliwych lub słabej jakości statycznych zasilaczy UPS.

Przykładowe zasilacze UPS dużej mocy zaprezentowano na rysunku 1.

Rys. 1. Przykładowe zasilacze UPS (źródło: www.salicru.com)

Statyczny zasilacz UPS w wersji online

Najbardziej rozpowszechnioną wersją zasilacza UPS, który jest obecnie użytkowany, jest zasilacz statyczny, czyli układ wykonany bez części wirujących, ruszających się – bazujący na przekształtnikach energoelektronicznych (w dalszej części artykułu będzie używana uproszczona nazwa: zasilacz UPS). Jest to przeciwieństwo zasilacza dynamicznego, czyli urządzenia wykorzystującego ciągle wirujący generator, który przejmuje bezprzerwowo zasilanie w sytuacji zaniku zasilania podstawowego.

Zasilacze statyczne UPS dzieli się jeszcze na wiele podgrup, jednak w artykule tym omówiono zasilacze typu online, inaczej zwane zasilaczami z pełnym przetwarzaniem energii. Urządzenia tego typu przetwarzają w sposób ciągły energię dostarczaną do odbiorników, więc nie stanowią tzw. rezerwy ukrytej, tylko ciągle biorą udział w zasilaniu odbiorników. Typowy schemat blokowy zasilaczy statycznych UPS w wersji online zaprezentowany jest na rysunku 1 oraz na rysunku 2. Układy te składają się z prostownika, falownika, zasobnika energii oraz statycznego łącznika obejściowego, zwanego również tyrystorowym układem bypass.

Rys. 2. Schemat blokowy statycznego zasilacza UPS

Rys. 3. Schemat blokowy statycznego zasilacza UPS z dwukierunkowym przekształtnikiem bateryjnym

W przypadku układu z rysunku 2 zasobnik energii został wyposażony dodatkowo w przekształtnik dwukierunkowy do sterowania prądem ładowania oraz rozładowania akumulatora. Takie rozwiązanie stosowane jest przez producentów, którzy np. chcą zastosować zespół akumulatorów o niższym napięciu nominalnym niż standardowo stosowane 600 V, lub też przez tych producentów, którzy kosztem podrożenia układu chcą mieć większą kontrolę nad prądem ładowania i np. zniwelować pulsacje prądu ładowania lub rozładowania. Pulsacje prądu akumulatora są groźne, a ich obecność znacznie obniża żywotność, co może skutkować nagłą awarią akumulatora obserwowaną w trakcie rozładowania.

Elementy składowe zasilacza UPS typu online

Prostownik odpowiada za przetwarzanie energii pochodzącej z sieci elektroenergetycznej lub agregatów prądotwórczych do zasilania obwodu prądu stałego, będącego obwodem spinającym wszystkie najważniejsze elementy systemu UPS. Prostownik musi przede wszystkim być urządzeniem niezawodnym, jego awaria uniemożliwi bowiem poprawne działanie układu UPS. Trzeba pamiętać, że prostownik ma także wpływ na sieć zasilającą. Należy zatem zadbać, aby wybrać takie urządzenie, które nie będzie powodowało problemów z jakością energii elektrycznej. Do walidacji pracy prostownika posłużyć można się prostym zestawem pomiarów, które będą opisane w dalszej części artykułu.

Falownik jest urządzeniem, które odpowiada za zasilanie odbiorników wrażliwych na zaniki napięcia. Odbiorniki te charakteryzują się na ogół także wysokimi wymaganiami w zakresie jakości napięcia zasilającego. Wymogi te są znacznie mocniej obostrzone niż w normie PN EN 50160, która specyfikuje jakość zasilania dla sieci elektroenergetycznych. Wśród najważniejszych obostrzeń wymienić należy brak tolerancji za zapady trwające dłużej niż jeden okres napięcia, czyli 20 ms, oraz konieczność zasilania napięciem o wartości nie mniejszej niż 95% i nie większej niż 105% napięcia nominalnego. Dodatkowo wiele urządzeń informatycznych toleruje zmianę częstotliwości napięcia zasilającego w zakresie ±1 Hz, co w przypadku zasilania z sieci elektroenergetycznej jest w zupełności zadowalające, natomiast przy zasilaniu z agregatu może być bardzo trudne do osiągnięcia. Powoduje to w praktyce konieczność poprawy jakości zasilania przez zasilacz UPS.

Układy zasilaczy UPS typu online nazywane są także zasilaczami UPS typu VFI od angielskiego zwrotu „voltage frequency independent”. Nazwa ta jest stosowana, aby wskazać, że zasilacz taki jest niezależny od napięcia (voltage) i częstotliwości (frequency) źródła zasilającego – nieważne, czy jest to sieć, czy agregat. W przypadku ewaluacji falownika należy zatem zwrócić szczególną uwagę na jakość napięcia zasilającego w różnych stanach pracy. Falownik ma ograniczoną możliwość wytworzenia prądu na swoim wyjściu, która to możliwość jest opisana za pomocą parametru nazywanego CF od angielskiego crest factor (współczynnik szczytu). Parametr ten mówi, jaka jest maksymalna wartość chwilowa prądu falownika, która nie spowoduje znacznego obniżenia się wartości chwilowej napięcia falownika. CF definiowany jest jako stosunek maksymalnej chwilowej wartości prądu oddawanego do nominalnej wartości skutecznej prądu zasilacza. Jeśli wystąpi obciążenie lub zwarcie powodujące przekroczenie tej maksymalnej wartości prądu, to falownik zmniejszy swoje napięcie, odkształcając je w stosunku do sinusoidy. Typowa wartość współczynnika CF dla zasilacza UPS to 3, co oznacza, że przy nominalnym prądzie skutecznym zasilacza na poziomie 100 A maksymalna chwilowa wartość prądu będzie wynosiła 300 A.

Układ obejściowego łącznika tyrystorowego zwanego bypassem statycznym jest pozornie mało ważnym elementem każdego zasilacza UPS, prawda jest jednak zupełnie inna. Łącznik ten spełnia dwie bardzo ważne funkcje. Po pierwsze odpowiada za praktycznie bezprzerwowe przełączenie z zasilania poprzez falownik na zasilanie przez sieć elektroenergetyczną. Przejście takie następuje w dwóch sytuacjach. Pierwsza ma miejsce wtedy, gdy dochodzi do awarii któregoś z elementów zasilacza UPS, a jego pomiary samodiagnostyczne wykryją taką sytuację i dadzą impuls na przełączenie zasilania na sieć. W takiej sytuacji tyrystorowy łącznik obejściowy ma za zadanie przełączyć na sieć w czasie mniejszym niż 4 ms nawet w układzie trójfazowym. W tym celu faza napięcia wyjściowego UPSa w pracy normalnej przy użyciu falownika śledzi kąt fazowy napięcia sieci, aby w każdej chwili możliwe było przełączenie zasilania bez przerwy i bez skoku fazy. Oczywiście jeśli częstotliwość jest poza zakresem tolerancji, przełączenie spowoduje skok fazy.

Drugim ważnym zadaniem, które spełnia bypass statyczny, jest wytworzenie prądu zwarciowego w pracy normalnej zasilacza (czyli wtedy, gdy sieć zasila prostownik). Falownik ma ograniczoną wartość prądu maksymalnego. W związku z tym wytworzenie prądu zwarciowego zdolnego do wyzwolenia zabezpieczenia zwarciowego lub przepalenia bezpiecznika topikowego jest w wielu wypadkach niemożliwe przy wykorzystaniu samego falownika. Dlatego podczas zwarcia włączany jest łącznik bypass. Zbudowany jest on za pomocą tyrystorów, które znane są z wysokiej wydolności prądowej, dzięki czemu istnieje możliwość wytworzenia prądu zwarciowego w kierunku wyjścia UPSa. Walidacja poprawnej pracy UPSa w stanie zwarcia może przynieść cenne informacje o możliwych problemach przy niezawodnej pracy zasilacza.

Najważniejszym i jednocześnie najbardziej zawodnym elementem bezprzerwowego zasilacza UPS jest akumulator. Typowo do magazynowania energii elektrycznej w zasilaczach statycznych UPS wykorzystuje się akumulator kwasowo-ołowiowy (taki jak zaprezentowany na rysunku 4). Do magazynowania energii elektrycznej w zasilaczach UPS stosuje się także koła zamachowe (elektromechaniczne systemy magazynowania), inne typy akumulatorów (np. litowo-jonowe), ale także superkonsensatory. Ze względu na powszechność akumulatorów kwasowo-ołowiowych w artykule zostanie przedstawione, w jaki sposób można zmierzyć wpływ UPSa statycznego na pracę i niezawodność akumulatora.

Rys. 4. Akumulator kwasowo-ołowiowy typu VRLA (źródło: www.hoppecke-us.com)

Badanie parametrów prądu wejściowego zasilacza UPS

Walidację parametrów jakości prądu odbieranego przez zasilacz UPS można wykonać za pomocą analizatora jakości energii elektrycznej podłączonego tak jak zaprezentowano na rysunku 5. w przypadku układu trójfazowego lub tak jak na rysunku 6. – układ jednofazowy. Aby pomiar był miarodajny, warto byłoby wykonać go za pomocą analizatora z funkcją rejestracji przebiegów i rejestracji pomiarów takiego jak np. HIOKI PW3198 (zaprezentowany na rysunku 7.) lub FLUKE 437 (rysunek 8.). Zarejestrowanie przebiegów poprzez wyzwolenie na podstawie pojawiających się zdarzeń pozwala w sposób dokładny i niebudzący wątpliwości przeanalizować działanie układu w stanach dynamicznych. Do badania niezbędna będzie także regulowana obciążnica (patrz rysunek 9.) lub inne regulowane obciążenie (np. regulowane obciążenie elektroniczne).

Rys. 5. Schemat pomiarowy do analizowania parametrów prądu pobieranego przez trójfazowy zasilacz UPS

Rys. 6. Schemat pomiarowy do analizowania parametrów prądu pobieranego przez jednofazowy zasilacz UPS

Rys. 7. Analizator trójfazowy Hioki PW 3198

Rys. 8. FLUKE 437 http://en-us.fluke.com

Rys. 9. Obciążenie regulowane (źródło: www.loadbanksdirect.com)

Pierwsze badanie, jakie powinniśmy wykonać, to pomiar prądu rozruchowego. Niektóre zasilacze UPS podczas załączenia napięcia wykazują pomiar prądu udarowego, co z kolei może powodować zapady napięcia sieci lub napięcia agregatu prądotwórczego, te są groźne dla innych odbiorników przyłączonych do jednej sieci razem z UPS-em. Co więcej, prądy udarowe płynące przy starcie UPS-a mogą być tak duże, że spowodują wyłączenie linii zasilającej po wykryciu przez zabezpieczenia zbyt dużej wartości prądów.

Zarejestrowanie prądu rozruchowego jest bardzo proste. Podłączony w sposób pokazany na rysunku 5. analizator należy ustawić na wykrycie prądu nieznacznie większego niż 0 A. Podczas załączenia napięcia rejestrowanie przebiegu (należy zarejestrować kilka okresów) prądu nastąpi automatycznie, ponieważ wartość prądu będzie narastać. Oczywiście może być tak, że najpierw pojawi się dolna półfala prądu, dlatego warto jest ustawić zapisywanie tak, aby przyrząd zapisał co najmniej 15 ms przed pojawieniem się sygnału wyzwalającego. Badanie warto jest powtórzyć kilkukrotnie, aby sprawdzić, czy zarejestrowana wartość prądu jest powtarzalna lub czy udało się nam uchwycić maksymalną wartość, jaka może wystąpić. Robiąc badanie w ten sposób, nie osiągniemy 100% pewności, że udało się zarejestrować najwyższą wartość prądu udarowego. Taką pewność można osiągnąć jedynie przy użyciu zaawansowanego sprzętu, który pozwoli załączyć napięcie zasilające w wybranym przez siebie momencie – typowo wtedy, gdy sinusoida znajduje się w swojej amplitudzie. Przy załączeniu zasilacz UPS nie powinien pobierać szczytowej wartości prądu udarowego o wartości większej niż 2 – 3 × IN. Jeśli obserwujemy wartości większe, należy się zastanowić, czy nie będą one powodowały problemów w projektowanej instalacji.

W trakcie badania prądu wejściowego należy zwrócić uwagę na poziom harmonicznych oraz na poziom mocy biernej w różnych stanach pracy urządzenia. Najlepiej jest wykonać 11 pomiarów, od stanu jałowego co 10% do stanu pełnego obciążenia. THD (współczynnik całkowitego odkształceni harmonicznymi) prądu zasilacza UPS o małej mocy może być duże i dochodzić nawet do 40%, natomiast urządzenia o mocy kilku kilowatów i większej powinny pobierać prąd z THD na poziomie 4% i mniej. Jeśli urządzenia o znacznej mocy wywołują przepływ wyższych harmonicznych, może się okazać, szczególnie przy pracy z agregatu, że napięcie na skutek przepływu wyższych harmonicznych odkształci się i uniemożliwi zasilanie pozostałych odbiorników. Przepływ mocy biernej powinien praktycznie nie następować (cos φ > 0,98). Niestety wiele zasilaczy wykazuje przepływ mocy biernej pojemnościowej przy niskim poziomie obciążenia wyjścia zasilacza mocą czynną. Obecność mocy biernej powoduje naliczenie kar, co podnosi wartość faktur za energię elektryczną.

Przy wyborze urządzeń UPS należy wziąć pod uwagę koszt wywołany przepływem mocy biernej, a tylko dzięki pomiarom możemy mieć pewną informację, jaki przepływ może być obserwowany.

W trakcie prowadzenia badań trójfazowego zasilacza UPS przy różnych stopniach obciążenia należy także zwrócić uwagę na symetrię obciążenia. Jeśli prądy odbierane nie są symetryczne, może się okazać, że faza bardziej obciążona będzie się przeciążać i spowoduje wyłączenia zasilacza w najgorszym możliwym momencie, czyli wtedy, gdy jego obciążenie będzie duże. Asymetria prądów może także doprowadzić do asymetrii napięć w sieci zasilającej, co z kolei może mieć negatywny wpływ na pozostałe urządzenia przyłączone do tejże sieci. Prądy w kolejnych fazach nie powinny się różnić o więcej niż 10%.

Badanie przebiegów prądu zasilacza UPS przy częstych, krótkotrwałych zanikach napięcia może skutkować odkryciem, że pomimo iż wstępnie przebadany przy załączeniu zasilacza UPS prąd udarowy nie nastąpił, to jednak wielokrotne zaniki spowodują wystąpienie prądów udarowych o znacznych wartościach. Zasilacze UPS o niskiej jakości wykorzystują specjalne termistory do zmniejszenia wartości prądu udarowego. Termistory te do schłodzenia potrzebują czasu. Jeśli przerwa w zasilaniu będzie krótkotrwała < 5 s, termistor może nie zdążyć się schłodzić, a tym samym może nie ograniczyć prądu udarowego. Należy tu wspomnieć, że to właśnie krótkotrwałe przerwy w zasilaniu są najczęściej obserwowane w sieciach elektrycznych. Związane jest to z obecnością automatyki SPZ (samoczynne ponowne załączenie) czy SZR (samoczynne załączenie rezerwy). Planowe przełączenia wykonywane przez zakłady energetyczne także powodują krótkotrwałe zaniki zasilania. Przełączenie z zasilania podstawowego na zasilanie z agregatu również może powodować podobne efekty. Należy też wspomnieć, że połączone działanie automatyki SPZ z SZR może spowodować cykl dwóch, krótkotrwałych zaników zasilania, co jeszcze bardziej uprawdopodobnia wystąpienie prądu udarowego.

Do zbadania zachowania zasilacza UPS w trakcie powtarzających się, krótkotrwałych zaników zasilania należy ustawić podłączony zgodnie z rysunkiem 5. analizator, tak aby wykrył i zarejestrował przebieg nie tylko zaniku, ale także powrotu napięcia. Większość analizatorów jakości energii na swojej liście zdarzeń wywołujących rejestrację ma zarówno zanik, jak i ponowne pojawienie się napięcia. Jeśli stwierdzimy w trakcie badania występowanie prądów udarowych o znacznej wartości, należy rozważyć kupno innego zasilacza lub zaprojektowanie sieci zasilającej tak, aby nie pojawiły się problemy towarzyszące obecności prądu rozruchowego.

Badanie parametrów jakości energii elektrycznej napięcia wyjściowego zasilacza UPS

W ocenie zasilacza UPS kluczowe jest stwierdzenie, czy jest on w stanie zasilać wymagające odbiorniki podłączone do jego wyjścia. Za to właśnie odpowiada falownik. Badanie falownika należy przeprowadzić przy wykorzystaniu schematu zaprezentowanego na rysunku 10. w przypadku układu trójfazowego oraz na rysunku 11. dla falownika jednofazowego. Pamiętać jednak należy, że w tym wypadku potrzebne będą różne konfiguracje obciążenia. Warto jest bowiem przebadać obciążenie o charakterze rezystancyjnym, rezystancyjno-indukcyjnym, rezystancyjno-pojemnościowym silnie odkształconym. Szczególnie ostatni typ obciążenia jest interesujący, ponieważ większość zasilanych z zasilacza UPS urządzeń to jednofazowe prostowniki diodowe, które charakteryzują się poborem silnie odkształconego prądu.

Rys. 10. Schemat podłączenia analizatora jakości energii do pomiaru parametrów napięcia wyjściowego trójfazowego zasilacza UPS

Rys. 11. Schemat podłączenia analizatora jakości energii do pomiaru parametrów napięcia wyjściowego jednofazowego zasilacza UPS

Oczywiście obciążenia testowe powinniśmy dostosować do obciążenia, które zamierzamy zasilić. Natomiast testowanie przy obciążeniu rezystancyjnym i przy obciążeniu zestawem trzech jednofazowych prostowników diodowych najbardziej będzie odpowiadać realnym warunkom pracy urządzeń zasilanych z układów UPS. Podczas testowania napięcia wyjściowego zasilacza UPS należy obciążyć układ w zakresie od mocy nominalnej do stanu jałowego przy wykorzystaniu kilku punktów pośrednich. Szczególne zainteresowanie w trakcie wykonywania pomiarów powinno wzbudzić kilka parametrów napięcia.

Po pierwsze należy zbadać obecność odkształceń wyższymi harmonicznymi, które mogą zakłócać działanie odbiorników przyłączanych do zasilacza UPS. THD napięcia zasilającego nie powinno przekraczać 4% w zdecydowanej większości przypadków. Istnieją także urządzenia, które dopuszczają 8%. Natomiast niższy poziom THD napięcia falownika wskazywać może, że zarówno falownik, jak i cały zasilacz UPS jest urządzeniem wysokiej klasy. Pamiętać jednak należy, że nie tylko współczynnik THDu (całkowitego odkształcenia harmonicznymi dla napięcia) jest środkiem oceny jakości napięcia w zakresie odkształceń. Należy także przeanalizować obecność poszczególnych harmonicznych. Do sprawdzenia, czy wartość względna harmonicznych w mierzonym napięciu jest akceptowalna, można posłużyć się zapisami rozporządzenia ministra gospodarki z 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego (Dz.U. z 2007 nr 93 poz. 623). Z rozporządzenia wynika, że najwyższy dopuszczalny udział może mieć harmoniczna trzecia (150 Hz), piąta (250 Hz) oraz siódma (350 Hz), ponieważ ich wartość względna (odniesiona do napięcia nominalnego) może wynosić nawet 2%. Związane jest to z częstym występowaniem tych harmonicznych w sieciach elektroenergetycznych.

Tabela 1. Maksymalne wartości względne poszczególnych harmonicznych (źródło: rozporządzenie ministra gospodarki z 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego)

Podczas badania odkształceń napięcia warto jest się posłużyć zarówno obciążeniem o charakterze czysto rezystancyjnym oraz o charakterze silnie odkształconym. Obciążenie rezystancyjne nie wypływa na pojawienie się dodatkowych harmonicznych, co w trakcie badania z takim obciążeniem daje możliwość stwierdzenia, jakie są wartości harmonicznych „produkowanych” tylko i wyłącznie przez falownik. Natomiast obciążenie prostownikami jednofazowymi pozwoli na uzyskanie odpowiedzi na pytanie, jak falownik w zasilaczu UPS radzi sobie z zasilaniem odbiorników uciążliwych. Może się bowiem okazać, że odbiorniki silnie nieliniowe (powodujące przepływ prądów odkształconych) powodują np. problemy w pracy regulatora falownika, które skutkują wzmocnieniem odkształceń w porównaniu do poziomu odkształceń obecnych w prądzie.

W trakcie obciążania zasilacza UPS prostownikami jednofazowymi możemy sprawdzić zachowanie falownika w sytuacji, gdy osiąga on szczytową dopuszczalną wartość prądu chwilowego (która opisywana jest wartością współczynnika szczytu CF). Jeśli okaże się, że po osiągnięciu maksymalnej wartości prądu falownik zaczyna w sposób stabilny ograniczać swoje napięcie, znaczy to, że działa prawidłowo. Jeśli jednak po osiągnięciu wartości szczytowej prądu przebieg napięcia się destabilizuje, to jest to wskazanie, że urządzenie może się nawet uszkodzić, gdy zostanie np. przeciążone.

Kolejnym ważnym parametrem jest wartość napięcia w stanach statycznych i dynamicznych (typowo nie powinna ona wykraczać poza zakres ±5% wartości nominalnej napięcia). Badanie wartości skutecznej napięcia w stanach statycznych może być wykonane w różnych stanach pracy podczas pomiaru poziomu odkształceń. Należy uważać, aby w trakcie tego pomiaru nie obciążać falownika prądem o wartościach chwilowych równych lub wyższych od maksymalnej wartości prądu, ponieważ w takiej sytuacji dojdzie do sztucznego obniżenia wartości napięcia, która jest poprawnym zachowaniem układu regulacji. Dlatego do takiego badania najlepiej jest użyć obciążenia rezystancyjnego lub ewentualnie obciążenia rezystancyjno-biernego. Badanie w stanach dynamicznym powinno polegać na dynamicznej zmianie obciążenia o około 50%, jest to bowiem wartość, która występuje w rzeczywistych warunkach.

Oczywiście można badać zasilacz UPS w stanie dynamicznego skoku z poziomu 0% do 100% nominalnego obciążenia. Taki stan jest jednak mało prawdopodobny w rzeczywistych warunkach eksploatacji. W stanach dynamicznych nie powinno się także obserwować krótkotrwałych podskoków lub zapadów napięcia o znacznej wartości. Powinny one mieć wartość maksymalną nieprzekraczającą nominalnej wartości skutecznej napięcia falownika i nie powinny trwać dłużej niż 1 ms. Wyzwolenie rejestracji przebiegu podczas dynamicznej zmiany obciążenia nie powinno nastręczać problemów, można do tego celu wykorzystać wyzwolenie od wartości prądu, lub wyzwolenie od sygnału zewnętrznego.

Badanie asymetrii napięcia w skutek pojawienia się asymetrii prądów powinno być wykonane przy użyciu obciążenia rezystancyjnego. Z praktycznego punktu widzenia obciążenie jednej fazy mocą nominalną, gdy pozostałe fazy obciążone są jedynie w 50%, da miarodajną informację, czy układ sterowania oraz obwód mocy falownika są w stanie radzić sobie z możliwą asymetrią prądu. W praktyce zgodnie z np. rozporządzeniem ministra gospodarki z 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego składowa symetryczna przeciwna napięcia (mierzona przez analizator trójfazowy) nie powinna przekraczać 2%.

Badanie stanu zwarcia zasilacza UPS

Poprawne działanie zasilacza podczas zwarcia na jego wyjściu implikuje jego długą i bezawaryjną pracę, a także możliwość wytworzenia prądów o wartościach wystarczających do wyzwolenia zabezpieczeń. Dodatkowa wartość takiego badania to możliwość sprawdzenia poprawności działania łącznika tyrystorowego. Oczywiście badanie takie może się okazać niszczące dla zasilacza, jednak nie należy żałować przeprowadzonej próby. Lepiej jest wykryć problem podczas pomiaru sztucznego niż w trakcie normalnej eksploatacji i zasilania newralgicznych odbiorników energii elektrycznej. W celu sprawdzenia działania zasilacza UPS podczas zwarcia wystarczające jest przeprowadzenie krótkotrwałego zwarcia. Dodatkowym ciekawym elementem badania jest sprawdzenie, jak będzie wyglądał przebieg napięcia podczas powrotu napięcia (gdy wyeliminowanie zostanie zwarcie). W tym właśnie celu zaleca się zastosowanie do badania zwarcia układu wykorzystującego wyłącznik nadprądowy lub bezpiecznik, który w efekcie wyeliminuje zwarcie. Wartość prądu wyzwolenia zabezpieczenia powinna być mądrze dobrana do badanego zasilacza UPS, żeby miał on szanse wyłączyć zwarcie (tzn. wyłącznik nie powinien być zbyt duży).

Do przeprowadzenia tego badania należy posłużyć się schematem zaprezentowanym na rysunku 10. lub 11. Pamiętać jednak trzeba, że sondy prądowe muszą mieć odpowiednią wartość prądu maksymalnego, żeby możliwe było poprawne zaobserwowanie i zarejestrowanie przebiegu prądu zwarcia, który w zależności od mocy falownika może dochodzić nawet do kilku kiloamperów w sieciach niskiego napięcia.

Prawidłowe działanie falownika podczas zwarcia polega na wytworzeniu prądu zwarciowego, który wyłącza urządzenie zabezpieczające (nadprądowe). Ponadto po zniwelowaniu zwarcia przez zabezpieczenie falownik powinien powrócić do dalszego normalnego zasilania odbiorników bez wywoływania np. niebezpiecznych podskoków napięcia. Tylko przy spełnieniu tych dwóch warunków można pokusić się o pozytywne ocenienie zasilacza UPS. Należy zatem dokładnie przeanalizować zarejestrowane przebiegi podczas próby zwarcia, aby ocenić zachowanie zasilacza UPS w tym stanie.

Badanie przełączenia na linię podstawową

Jak wspomniano wcześniej, tyrystorowy włącznik obejściowy bypass ma za zadanie między innymi praktycznie bezprzerwowe przełączenie z zasilania poprzez falownik do zasilania bezpośredniego z sieci. Do tego badania wystarczy podłączyć schemat pomiarowy analogiczny ze schematem zaprezentowanym na rysunku 10. lub 11. Przełączenie z pracy normalnej UPS-a na zasilanie przez linię podstawową wykonywane jest podczas awarii np. falownika, ale można wyzwolić ją także za pomocą programu, ponieważ takie przełączenie jest także używane przy przejściu do pracy serwisowej. W trakcie wykonywania przejścia dojdzie do chwilowego zaniku zasilania, więc zanik lub zapad napięcia może być zdarzeniem wyzwalającym rejestrację. Analiza zarejestrowanego przebiegu powinna wykazać, że zanik lub zapad napięcia powinien być krótszy niż 4 ms dla wszystkich faz. Na ogół urządzenia zasilane akceptują zanik trwający do 10-20 ms, więc nawet nieco wyższa niż 4 ms długość trwania zapadu nie powinna być podstawą do negatywnej oceny działania. Może się także zdarzyć, że nie zaobserwujemy w ogóle żadnego zaniku ani zapadu. Wtedy możemy uznać, że mamy do czynienia z tzw. selektywnym łącznikiem tyrystorowym, co wskazuje na dobre wykonanie przełącznika bypass. Znaczenie praktyczne przełączenia do pracy serwisowej jest takie, że pozwala odłączyć napięcie od zasilacza UPS. Oczywiście, aby utrzymać odbiorniki w pracy, wymagane jest posiadanie dodatkowego mechanicznego łącznika obejściowego, zwanego bypassem zewnętrznym. Po załączeniu bypassu zewnętrznego można odłączyć UPS-a od napięcia, dzięki czemu można przeprowadzić prace serwisowe.

Badanie prądu ładowania i rozładowania akumulatora

Diagnostyka akumulatorów jest bardzo szerokim zagadnieniem. Była już m.in. opisywana w nr 5. „Pomiarów elektrycznych w praktyce”. Warto śledzić zmiany na rynku przyrządów do pomiarów ewaluujących stanów akumulatorów, ponieważ zachodzą tam dynamiczne zmiany. Przedmiotem tego artykułu nie jest jednak wskazywanie, jaka jest jakość akumulatora. Skupiamy się tu na właściwościach zespołu przekształtników mocy składających się na układ UPS. Kluczowe parametry, które należy ocenić w zasilaczu UPS, aby zapewnić wieloletnią eksploatację akumulatora, to: poziom tętnień prądu przy ładowaniu, przy rozładowaniu oraz poziom tętnień napięcia w pracy tzw. buforowej.

Praca buforowa zachodzi wtedy, gdy naładowany akumulator ma podłączone napięcie zasilające, w celu wytworzenia prądu buforowego przeciwdziałającego samorozładowaniu akumulatora, a co za tym idzie przedłużającego jego żywotność. Dodatkowo ważnym parametrem jest wartość napięcia buforowego i ewentualne tętnienia, które w tym napięciu powstają. Wykonanie pomiarów tych parametrów jest możliwe w przypadku zastosowania obwodu pomiarowego zaprezentowanego na rysunku 12 oraz na rysunku 13, gdzie akumulator jest odłączony. Dobrze jest także zastosować do wykonania pomiaru multimetr, który dokładnie zmierzy wartość napięcia buforowego. Pomiar stałego napięcia wykonany oscyloskopem jest obarczony dość dużym błędem, a wartość napięcia buforowego powinna być dokładnie ustawiona, a co za tym idzie dokładnie zmierzona, aby przedłużyć eksploatację akumulatora.

Rys. 12. Badanie prądu i napięcia ładowania akumulatora

Rys. 13. Badanie napięcia buforowego zgodnego z wytycznymi standardu Eurobat

Do walidacji mierzonych parametrów można wykorzystać wiedzę przekazywaną przez producentów akumulatorów takich jak np. firma FIAMM, która opublikowała dokument zawierający wymogi pozwalające uzyskać wysoką żywotność i niezawodność eksploatacji akumulatora. Dokument ten zatytułowany jest „AGM Valve Regulated Lead Acid Batteries, Instalation & Operating Instruction Technical Manual”.

W zakresie obecności składowej zmiennej w napięciu buforowym firma FIAMM specyfikuje, że w zakresie mocy wyjściowej układu UPS od 5% do 100% napięcie nie powinno posiadać składowej zmiennej o wartości skutecznej większej od 1% wartości napięcia buforowego. Ponadto w stanach przejściowych (skok obciążenia) zmiana wartości napięcia nie powinna być większa niż 2,5%. Do tego testu należy posłużyć się schematem pomiarowym z rysunku 13, gdzie odłączony jest akumulator. W stanie statycznym kanał pomiaru napięcia oscyloskopu należy ustawić na pomiar wartości zmiennej (AC). Oscyloskop wyeliminuje wtedy składową stałą i będzie można bez przeszkód i dokładnie zmierzyć składową zmienną napięcia, czyli właśnie tętnienia. W przypadku testu dynamicznych zmian napięcia buforowego oscyloskop powinno się ustawić na jednorazowe zarejestrowanie przebiegu napięcia buforowego, a wyzwolenie tej rejestracji ustawić poprzez wykrycie skokowej zmiany (wzrostu lub zmniejszenia się) wartości prądu.

Firma FIAMM wskazuje także, że jej akumulatory typu VRLA AMG powinny być przetrzymywane w temperaturze 20⁰C i poddane napięciu buforowemu o wartości dokładnie 2,27 V na ogniwo. Producent radzi także, że jeśli niemożliwe jest utrzymanie temperatury 20⁰C, to napięcie buforowe powinno być dostosowane do napięcia akumulatora zgodnie z wykresem przedstawionym na rysunku 14. Sprawdzenie tego warunku powinno nastąpić podczas pomiaru zgodnego z rysunkiem 13., z tym że do pomiaru powinniśmy użyć dokładnego multimetru/woltomierza. Pamiętać jednak należy, że przy takim badaniu akumulator powinien być naładowany.

Rys. 14. Napięcie buforowe (float voltage) ogniwa akumulatora kwasowo-ołowiowego dla różnych temperatur (temperature)

Jeśli jesteśmy wyposażeni w dokładną sondę pomiarową lub posługujemy się wolnym od zakłóceń elektromagnetycznych układem pomiaru prądu przy wykorzystaniu bocznika, można także przetestować obecność składowej zmiennej w prądzie ładowania lub prądzie podczas rozładowania (zgodnie ze schematem z rysunku 12.). Firma Emmerson w dokumencie „Effects of AC Ripple Current on VRLA Battery Life” wskazuje, że „Battery manufacturers typically recommend that the ripple current into a VRLA (sealed lead-acid battery) jar be limited to a value of the 20 hour discharge rate Amp-Hour Capacity divided by 20 (C/20 @ 20hr rate)”. Zapis ten mówi, że wartość składowej zmiennej prądu akumulatora powinien być mniejszy niż pojemność akumulatora przy rozładowaniu dwudziestogodzinnym podzielona przez dwadzieścia. Dla akumulatora o pojemności 100 Ah przy rozładowaniu dwudziestogodzinnym wartość tętnień nie powinna być większa niż 100/20, czyli 5 A. Jest to wartość dość znaczna, natomiast przy słabej jakości zasilacza może dojść do jej przekroczenia, co później pociągnie za sobą zwiększone grzanie akumulatora w trakcie ładowania lub rozładowania i spowoduje w efekcie jego szybszą degradację. W celu oceny tego parametru za pomocą pomiaru należy ustawić pomiar prądu oscyloskopu na pomiar jedynie składowej zmiennej prądu i po obliczeniu jego wartości należy sprawdzić, czy jest ona akceptowalna z punktu widzenia zacytowanych powyżej zapisów.

Badanie sprawności zasilacza UPS

Obecność strat mocy w urządzeniach energoelektronicznych jest problemem ze względu na koszt, jaki powodują. Zastosowanie niskosprawnego zasilacza może być opłacalne na etapie inwestowania, ale później szybko staje się kosztowne, ze względu na straty mocy. Schemat pomiarowy do badania sprawności urządzenia UPS zaprezentowano na rysunku 15. Dobrze byłoby, gdyby analizator jakości energii przyłączony do wejścia był taki sam jak ten przyłączony do wyjścia zasilacza UPS, a co więcej, żeby obydwa urządzenia były zsynchronizowane, jeśli chodzi o podstawę czasu. Badanie należy przeprowadzić w wielu punktach pomiarowych, najlepiej przy użyciu obciążenia o nieliniowej charakterystyce. Dzięki temu wyniki będą miarodajne. Dzieląc moc czynną wyjściową przez wejściową, uzyskujemy sprawność. Możemy ją skonfrontować z zapisami w karcie katalogowej producenta. Badanie można wykonać nie tylko za pomocą analizatorów, ale także używając dowolnych urządzeń pomiarowych z funkcją watomierza, mierzącego poprawnie moc przy przebiegach niesinusoidalnych.

Rys. 15. Badanie sprawności zasilacza UPS przy wykorzystaniu dwóch analizatorów jakości energii elektrycznej

Podsumowanie

W artykule zaprezentowano i omówiono zestaw pomiarów, które można wykonać, aby ocenić pracę zasilaczy statycznych UPS i stwierdzić, jaka jest ich jakość. Zaprezentowane tu pomiary, ze względu na ich koszt i dostępność urządzeń, mają sens w przypadku wykonywania tzw. FAT (factory acceptance tests) w miejscu, gdzie zasilacze UPS są produkowane. Inną sytuacją, gdy warto wykonać takie pomiary, jest zakup wielu urządzeń tego samego typu. Wtedy trzeba zakupić jedną jednostkę do testów i wykonać zestaw opisanych tu pomiarów. W tych dwóch przypadkach może się okazać, że dość kosztowne pomiary oszczędzą nam znacznie wyższych kosztów, które mogą wystąpić w trakcie eksploatacji na skutek zaniku zasilania w kluczowych odbiornikach lub poprzez przepływ niezgodnych z oczekiwaniami prądów zasilających do urządzenia.

 

Autor: dr inż. Łukasz Rosłaniec Politechnika Warszawska