Realizacja gwarantowanego (bezprzerwowego) zasilania odbiorników energii elektrycznej o bardzo wysokim priorytecie pracy wymaga zarówno przyjęcia odpowiedniej struktury systemu zasilania, jak i zastosowania niezawodnych urządzeń technicznych. Artykuł prezentuje niektóre z dostępnych obecnie rozwiązań w tym zakresie: filtry aktywne oraz przytorowe przetwornice stacjonarne współpracujące w systemach z zasilaczami UPS2000.

Newralgiczne odbiorniki mogą być zasilane zarówno napięciem DC jak i AC. Stały wzrost ilości odbiorników nieliniowych (energoelektroniczne przekształtniki napędowe, urządzenia zasilające DC i AC, energooszczędne lampy wyładowcze, komputery itd.) jest przyczyną rosnącego poziomu zniekształceń prądu i napięcia w sieciach zasilających. Efektem występowania zniekształceń prądu i napięcia w sieciach zasilających są m.in. takie zjawiska jak: zwiększona awaryjność urządzeń w układach zasilania, wzrost strat w liniach zasilających, konieczność przewymiarowania urządzeń w układach zasilania (generatory, transformatory, łączniki). Rezultatem konieczności dostosowania przepisów do wymagań europejskich było podniesienie dopuszczalnych limitów zniekształceń w krajowych sieciach SN i WN. Obowiązujące aktualnie zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Gospodarki i Pracy (z 20.12.2004 r. Dz. U. 2/2005 poz. 6) limity THD są przedstawione w tabeli 1 (poz. 2). W tabeli są również (poz. 1) podane limity obowiązujące przed wydanym rozporządzeniem.

Problemy zakłóceń harmonicznymi powinny być uwzględniane przy projektowaniu i eksploatacji układów zasilania, w których występują odbiorniki nieliniowe, zwłaszcza układów zasilania gwarantowanego.

Rys. 1. Układ zasilania odbiornika nieliniowego z filtrem aktywnym

Filtry aktywne

Do kompensacji odkształceń prądu generowanych przez odbiorniki nieliniowe są stosowane filtry aktywne. Zadaniem energetycznych filtrów aktywnych jest kompensacja odkształceń prądu powodowanych przez odbiornik. Kompensacja prądu wpływa na znaczne zmniejszenie strat w przewodach i transformatorach, zmniejszenie zniekształceń napięcia (awarie kondensatorów do kompensacji mocy biernej) oraz związaną z tym poprawę niezawodności zasilania. Filtry aktywne powinny być zatem instalowane na wejściu zasilaczy o większej mocy (kilkudziesięciu kW). Odpowiednio dobrany falownik zasilacza bezprzerwowego jest w stanie prawidłowo współpracować z odbiornikami o silnie nieliniowym charakterze, dlatego instalowanie filtrów po wyjściowej stronie zasilacza nie jest potrzebne. Filtry są włączane równolegle do odbiornika (rys. 1), co zapewnia, że zespół odbiornik nieliniowy – filtr aktywny stanowi dla sieci obciążenie liniowe.

Rys. 2. Przebiegi prądów dla dwóch trybów sterowania: a – kompensacja odkształceń prądu, b – kompensacja odkształceń prądu z jednoczesną kompensacją mocy biernej

Działanie
W czasie, gdy prąd odbiornika jest mniejszy od prądu sieci, filtr pobiera z niej prąd (ładując kondensator) tak, żeby całkowity prąd pobierany z sieci miał przebieg sinusoidalny. Przy większej wartości prądu wymaganej przez odbiornik, filtr – wykorzystując energię zgromadzoną w kondensatorze – zasila dodatkowo odbiornik tak, żeby z sieci w dalszym ciągu był pobierany prąd o przebiegu sinusoidalnym. Filtr aktywny może pracować w dwóch trybach. W podstawowym trybie pracy filtr kompensuje odkształcenia prądu odbiornika, zapewniając sinusoidalny przebieg prądu pobieranego z sieci (rys. 2a). Sterowanie filtra może być ustawione do pracy w trybie rozszerzonym, uwzględniającym równoczesną kompensację mocy biernej (rys. 2b).
W przypadku pracy w trybie rozszerzonym znamionowa moc kompensacji filtra musi być większa, niż przy pracy w trybie podstawowym. Trójfazowe filtry aktywne, oprócz kompensacji odkształceń prądu, kompensują również asymetrię obciążenia faz, co łącznie z eliminacją harmonicznych korzystnie wpływa na pracę transformatorów zasilających odbiorniki nieliniowe. W przypadku sieci trójfazowej z przewodem neutralnym, działanie filtra aktywnego minimalizuje jednocześnie wartość prądu w tym przewodzie. Filtr aktywny może długotrwale pracować w sytuacji, gdy generowane przez odbiornik nieliniowy odkształcenia przekraczają znamionowy prąd filtra. Nie zapewni on wtedy całkowitej kompensacji prądu odbiornika, co jednak często wystarcza dla znaczącej poprawy warunków zasilania. Filtry aktywne mogą kompensować odkształcenia prądu odbiorników nieliniowych, zasilanych z sieci SN – sposoby instalacji filtra przedstawiono na rysunku 3.

Rys. 3. Sposoby kompensacji prądu nieliniowych odbiorników SN: a – filtr z własnym transformatorem SN, b – filtr włączony po wtórnej stronie transformatora SN

Instalacja
W układzie według rysunku 3a filtr skompensuje prąd pobierany z sieci, jednak transformator TRo będzie narażony na zwiększone straty w rdzeniu. Korzystniejszy jest układ według rysunku 3b, w którym filtr współpracuje bezpośrednio z odbiornikiem, zmniejszając zagrożenia dla transformatora TR. Filtr o mocy kompensacji 1 MVAr (rys. 4) od kilku lat kompensuje prąd pobierany przez prostownik podstacji trakcyjnej, obniżając THDu w sieci 15 kV do poziomu 1,5%.
W układach gwarantowanego zasilania odbiorników nieliniowych powinny być stosowane zasilacze UPS o wysokich wartościach współczynnika szczytu (Crest Factor). Zapewnia to prawidłową pracę odbiorników oraz bezawaryjną pracę zasilacza. Filtr aktywny powinien być w takim przypadku włączony na wejściu zasilacza jako opcjonalne wyposażenie UPS. Przy bezpośrednim dołączeniu do sieci zasilającej nieliniowego odbiornika większej mocy filtr aktywny, włączony na wejściu odbiornika, zapewnia zmniejszenie zagrożeń dla urządzeń rozdzielni oraz zmniejsza poziom zakłóceń innych odbiorników zasilanych z tej rozdzielni.

Rys. 4. Filtr aktywny na podstacji trakcyjnej

Zasilanie kolejowych urządzeń przytorowych z przetwornic stacjonarnych

Doprowadzenie zasilania 230 V AC, 3 x 400 V do odbiorników odległych od sieci energetycznych jest czasem związane z problemami technicznymi (tereny górskie, obszary leśne itp.) i na ogół bardzo kosztowne. W przypadku zlokalizowania takich odbiorników w pobliżu szlaku kolejowego, istnieje możliwość zapewnienia zasilania z sieci trakcyjnej 3 kV prądu stałego, przy wykorzystaniu stacjonarnych przetwornic statycznych. Rozwiązanie takie zapewnia bardzo dobrą jakość zasilania – wysoką stabilność napięcia i częstotliwości oraz eliminuje przerwy w zasilaniu i zakłócenia przepięciowe. Taki system zasilania może być wykorzystywany zarówno w przypadku odbiorników nietrakcyjnych, jak i eksploatowanych przez innych odbiorców w pobliżu szlaku kolejowego.
Dzięki wysokiej niezawodności przetwornic statycznych, niskim kosztom oraz możliwości uzyskania wyjściowych napięć zarówno AC jak i DC, rozwiązanie takie należy uznać za atrakcyjną alternatywę w porównaniu z rozwiązaniami tradycyjnymi.

Rys. 5. System zasilania odbiorników niskiego napięcia z trakcyjnej sieci 3 kV DC

Struktura układu
Przedstawiony na rysunku 5. system zawiera rozłącznik i bezpiecznik (zlokalizowane na słupie sieci trakcyjnej) oraz stacjonarną przetwornicę statyczną, umieszczoną w kontenerze lub pomieszczeniu gospodarczym. Przy obecności lokalnej sieci energetycznej 3 x 400 V, układ można rozbudować (rys. 6), by zapewniał praktycznie gwarantowane zasilanie odbiorników, bez potrzeby instalowania urządzeń z bateriami akumulatorów.

Rys. 6. System zasilania odbiorników niskiego napięcia z trakcyjnej sieci 3 kV DC i linii 3 x 400 V

Przedstawione układy zapewniają eliminację zakłóceń przepięciowych oraz bardzo dobrą stabilizację napięcia wyjściowego, przy szerokim zakresie zmian napięcia w sieci trakcyjnej, jak również przy zasilaniu z sieci energetycznej. Są możliwe trzy podstawowe warianty układowe, w których wykorzystuje się stacjonarne przetwornice statyczne:
• zasilanie bezpośrednie,
• zasilanie gwarantowane (tj. z podtrzymaniem bateryjnym),
• zasilanie gwarantowane (jw.) z jednoczesną synchronizacją napięć dla urządzeń rozmieszczonych przy szlaku kolejowym.
Przy zasilaniu bezpośrednim, stacjonarna przetwornica statyczna może zasilać odbiorniki AC (3-fazowe i 1-fazowe) oraz odbiorniki DC o typowych napięciach znamionowych (rys. 7a). Dla zapewnienia zasilania gwarantowanego można – np. do stosowanego w trakcji kolejowej zasilacza UPS2000 – dostawić moduł przetwornicy statycznej (rys. 7b), uzyskując 10-godzinne podtrzymanie pracy odbiorników w przypadku zaniku napięcia sieci trakcyjnej.

Rys. 7. Bezpośrednie (a) i gwarantowane (b) zasilanie odbiorników przy wykorzystaniu stacjonarnych przetwornic statycznych

Zasilanie trakcyjnych obwodów sterowania ruchem – UPS2000

Niezależnym problemem jest zasilanie trakcyjnych obwodów sterowania ruchem kolejowym – samoczynnej blokady liniowej. Obwody te wymagają zasilania napięciem gwarantowanym 3 x 400 V, przy jednoczesnym zachowaniu synchronizacji napięć zasilających odcinki torowe. W trakcji jest już stosowany system z zasilaczami UPS2000 (rys. 8a), zapewniający możliwość wykorzystywania lokalnych sieci energetycznych, przy jednoczesnej synchronizacji napięć zasilaczy rozmieszczonych wzdłuż szlaku kolejowego. Synchronizator (UPS2000S) może nadzorować pracę do 30 zasilaczy, zapewniając utrzymanie kąta przesunięcia fazowego 120^o ±5^o w całym zakresie obciążenia zasilaczy. Każdy z zasilaczy współpracuje z baterią, zapewniającą 10-godzinne podtrzymanie pracy zasilanych obwodów w przypadku braku napięcia w sieci energetycznej.

Rys. 8. System zasilania obwodów sbl z zasilaczami UPS2000: a – układ tradycyjny, b – układ zasilany z sieci trakcyjnej

System z zasilaczami UPS2000 może być – po wyposażeniu każdego zasilacza w moduł stacjonarnej przetwornicy statycznej (rys. 8b) – zasilany z sieci trakcyjnej. W przedstawionym systemie każdy zasilacz jest wyposażony w moduł PSMS, zapewniający bieżące zasilanie UPS2000 oraz doładowanie baterii akumulatorów, współpracującej z zasilaczem. Zmniejsza to niebezpieczeństwo przerw w zasilaniu, uniezależniając system od sieci energetycznej. Podtrzymanie zasilania, w przypadku awarii sieci zasilającej, umożliwia służbom eksploatacyjnym usunięcie usterki i przywrócenie pełnej sprawności systemu. Należy dodać, że w przypadku mniejszego obciążenia, czas podtrzymania ulega odpowiedniemu wydłużeniu.

Dobór zasilacza UPS
Dobór zasilacza UPS sprowadza się najczęściej – niestety – do oszacowania mocy zasilanych urządzeń, przyjęcia współczynnika jednoczesności pracy i określenia stąd wymaganej mocy zasilacza. Brak uwzględnienia odkształceń prądów pobieranych przez odbiorniki oraz prądów podczas rozruchów sprawia, że tak dobrany UPS pracuje często niestabilnie, nie zapewniając bezprzerwowej pracy zasilanych urządzeń. Odbiorniki AC są aktualnie w przeważającej części odbiornikami nieliniowymi, pobierającymi z sieci prądy o przebiegach odkształconych (najczęściej impulsowych). Przebieg prądu opisywany jest poprzez wspomniany wcześniej tzw. współczynnik kształtu (Crest Factor), określający ile razy amplituda przebiegu jest większa od jego wartości skutecznej. W przypadku przebiegu sinusoidalnego jest to
√2 = 1,414, ale przy przebiegach odkształconych wartość CF może być znacznie większa (3 a czasami nawet 8-krotnie). Zasilacz dobrany przy założeniu sinusoidalnego kształtu prądów nie jest w stanie zapewnić prawidłowej pracy odbiorników nieliniowych – następują częste przełączenia na obwód obejściowy i zasilacz nie pracuje stabilnie.

Rys. 9. Zasilacz z rodziny UPS2000

Prąd zwarciowy zasilacza
Kolejnym parametrem, który powinno się uwzględniać przy konfiguracji systemu, jest zwarciowy prąd zasilacza. Standardowo jest to wartość 2 I_n, tzn. że podczas zwarcia prąd zasilacza jest ograniczony do dwukrotnej wartości prądu znamionowego. W przypadku, gdy do zasilacza jest dołączonych kilka obwodów i w jednym z nich wystąpi zwarcie, powinno nastąpić przełączenie na obwód obejściowy i szybkie zadziałanie bezpiecznika w zwartym obwodzie. Podczas zwarcia występuje przerwa w zasilaniu pozostałych obwodów, co może zakłócić pracę niektórych odbiorników. Bardzo szybkie odłączenie zwarcia może być zrealizowane przy zastosowaniu statycznego przełącznika obwodu by-pass i zwiększonego zwarciowego prądu zasilacza.
Dla niezawodnej pracy systemu zasilania AC bardzo korzystnym czynnikiem jest zwiększony prąd zwarciowy zasilacza. Ma to szczególne znaczenie podczas pracy autonomicznej – przy braku napięcia sieciowego. Podczas zwarcia jest możliwe pobranie zwiększonego prądu, natomiast podczas rozruchu jednego z zasilanych urządzeń, proces przebiega bez spadku napięcia na wyjściu zasilacza. Przyspiesza to proces eliminacji zwarć i zapewnia poprawną pracę systemu podczas chwilowych przeciążeń. Aktualnie są proponowane zasilacze o prądzie zwarciowym zwiększonym do 6 I_n w czasie do 10 sekund.

Podsumowanie

Podsumowując, można stwierdzić, że analiza kosztów następstw ewentualnej przerwy w pracy newralgicznych odbiorników powinna wpływać na planowane koszty systemu zasilania gwarantowanego. Natomiast zbytnia oszczędność sprawdza się zazwyczaj tylko do momentu pierwszej awarii systemu zasilania. Zwiększająca się liczba odbiorników nieliniowych powinna skłaniać do bardziej pogłębionych analiz przy doborze konfiguracji i podzespołów dla systemów gwarantowanego zasilania AC. Operowanie tradycyjnymi parametrami – dotyczącymi przebiegów sinusoidalnych – prowadzi dosyć często do realizacji systemów, niespełniających rzeczywistych wymagań eksploatacyjnych.
Przedstawione rozwiązania ze statycznymi przetwornicami stanowią nowoczesną, ekonomiczną alternatywę zasilania urządzeń zlokalizowanych w pobliżu szlaku kolejowego. Przetwornice statyczne, charakteryzujące się bardzo dużą niezawodnością, mogą zapewnić zasilanie odbiorników energią elektryczną o wysokich parametrach jakościowych, pozbawioną typowych zakłóceń sieciowych.

dr inż. Andrzej Baranecki
dr inż. Janusz Biliński
dr inż. Tadeusz Płatek
Autorzy są pracownikami
firmy Medcom

Literatura:
[1] Baranecki A., Płatek T., Niewiadomski M.: Harmoniczne prądu – zastosowanie filtrów aktywnych, Elektro. Info 2002/2;
[2] Baranecki A., Niewiadomski M., Płatek T., Warda W.: Zasilanie gwarantowane – nowe urządzenia. Elektrosystemy 2002/12;
[3] Baranecki A., Płatek T., Niewiadomski M.: Harmoniczne prądu – problemy pomiarowe. Elektro. Info 2003/7;
[4] Baranecki A., Niewiadomski M., Płatek T.: Odbiorniki nieliniowe – problemy i zagrożenia. Wiadomości elektrotechniczne 2004/3;
[5] Baranecki A., Płatek T., Niewiadomski M.: Nowoczesne systemy zasilania gwarantowanego, Elektro. Info 2004/6;
[6] Baranecki A., Płatek T., Niewiadomski M.: Kompensacja zakłóceń wprowadzanych przez odbiorniki nieliniowe, Elektro. Info 2005/6;
[7] Baranecki A., Warda W.: Urządzenia firmy Medcom. Elektrosystemy 2005/12;