Spolupráce dieselgenerátoru se zdrojem UPS

Regulační smyčky v energocentru

Usměrňovač, zapojený na vstupu záložního zdroje UPS při svém provozu odebírá nesinusový proud z napájecí sítě. Tento proud obsahuje vyšší harmonické složky a způsobuje zkreslení napájecí sítě pro záložní zdroj. Příčina vzniku těchto harmonických složek je tedy v usměrňovači. Jejich amplituda závisí na konstrukci usměrňovače, vstupní impedanci záložního zdroje a na vlastnostech napájecí sítě.

První zdroje UPS na začátku 90. let minulého století byly na vstupu vybaveny neřízeným diodovým usměrňovačem. Ten se v okamžiku komutace diod (okamžik průchodu okamžité hodnoty napájecího napětí nulou) stává pro napájecí síť zkratem. Neřízený šestipulzní usměrňovač generuje především 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23 a 25  harmonickou. Celkový obsah vyšších harmonických na vstupu záložního zdroje může dosáhnout až 28% - viz tabulka.

V případě provozu na síť nevzniká velký problém – síť je dostatečně tvrdý zdroj, navíc často doplněný vstupním transformátorem. V případě napájení z dieselgenerátoru, který má podstatně větší vnitřní odpor než síť, dojde v okamžiku komutace k poklesu napětí dieselgenerátoru. Rychlý elektronický regulátor dieselgenerátoru na tento pokles zareaguje zvýšením napětí. To ale mezitím začalo stoupat díky skončené komutaci a regulátor začne napětí zase „stahovat“. Výsledkem je nestabilní stav, projevující se „kýváním“ napětí dieselgenerátoru s frekvencí několik Hz. Tento nestabilní stav se přenese i do nadřazené otáčkové regulační smyčky, stroj začne být mechanicky namáhán a v krajním případě hrozí i jeho vytržení ze základového rámu.

Exaktní řešení uvedeného problému patří do teorie nelineární regulace a svým rozsahem by vydalo na disertační práci. Metodou pokusů a omylů bylo zjištěno, že pokud se dieselgenerátor několikanásobně předimenzuje, pak k tomuto stavu nedojde. Znamená to samozřejmě vyšší investici do dieselgenerátoru, větší nároky na prostor, problémy s dopravou atd. Proto byly hledány další cesty, jak toto předimenzování zmírnit:

• a) zařazením filtru vyšších harmonických. Zde je jednak možno použít filtr laděný na 5. harmonickou, která je významně zastoupena u šestipulzních usměrňovačů. Druhou možností je použít filtr pro veškeré vyšší harmonické. Zde je důležité připomenout, že k obdržení spokojivých výsledků a k zamezení vzniku rezonancí a následných oscilací, je nutno mít filtr
  speciálně navržený pro konkrétní podmínky a místo instalace.
• b) zařazením vícepulzního usměrňovače. Dvanáctipulzní usměrňovač je kombinací dvou šestipulzních usměrňovačů a speciálního třívinuťového transformátoru, který zabezpečí fázový posuv vstupního napětí dvou paralelně pracujících můstků. Tato kombinace umožňuje velmi vysokou a účinnou redukci obsahu vyšších harmonických až na úroveň 9%.
• c) Dalším krokem byl vývoj usměrňovačů na bázi tyristorů, později IGBT prvků, tj. plně řiditelných spínačů místo klasických diod. Těmito opatřeními se snížil požadavek na předimenzování dieselagregátu až na v současnosti doporučovaný cca 1,2  násobek.
  Do roku 2005 se na náš trh dodávaly zdroje UPS s deltakonverzí (Silcon, později APC), které měly na vstupu usměrňovač podstatně menšího výkonu (sloužil pouze k dobíjení baterie) a požadavek předimenzování se dále snížil až na 1,3 násobek.
   

Shrnutí:
Jestliže je použit dieselgenerátor pro napájení záložního zdroje v případě výpadku sítě, je nutno brát do úvahy následující skutečnosti:

• vliv zkreslení napájecích proudů vyššími harmonickými proudu, které je generovaného usměrňovačem
• vliv zkreslení výstupního napětí dieselgenerátoru. Vysoké zkreslení způsobuje rušení do regulačních obvodů vlastního dieselgenerátoru a důsledkem může být nestabilita chodu
• zvýšení zkreslení výstupního napětí dieselgenerátoru v závislosti na velikosti rázové složky (zkratová reaktance X"d dieselgenerátoru). Je proto vhodné používat dieselgenerátory s co nejnižší hodnotou X"d
• vliv vyšších harmonických složek proudu na teplotu vinutí generátoru (skinefekt), v důsledku kterého je nutné předimenzování generátoru
• eventuální přítomnost různých filtrů v soustavě síť - dieselgenerátor - záložní zdroj - spotřebič může být příčinou nežádoucích rezonancí, které mohou mít vliv na regulační obvody dieselgenerátoru a tím zvyšovat výstupní napětí. Filtry, které omezují vyšší harmonické, jsou v případě chodu dieselgenerátoru z tohoto důvodu vypnuty
• je nutno brát v úvahu i další zátěž napájenou přímo dieselgenerátorem

Ing. Karel Kuchta

Více informací z oblasti naleznete zde ...