Istnieje kilka problemów związanych z jakością energii (w tym udary napięciowe, przerwy w dostawie, niestabilności częstotliwości i szumy), które mogą wynikać z wahań w lokalnej sieci energetycznej. Kolejną komplikacją jest to, że wahania mogą również mieć źródło w poszczególnych elementach urządzeń automatyki z zasilaniem elektrycznym. Na szczęście istnieje wiele rozwiązań, czego przykładem są prezentowane układy zasilania zapewniające optymalne działanie maszyn i zapobiegające ich negatywnemu wpływowi na lokalną sieć elektroenergetyczną.

Ilustracja 1: jednofazowy zasilacz PULS z serii CP montowany na powszechnie stosowanej w automatyce przemysłowej szynie DIN. Niektóre z jego cech to m.in. wysoka odporność na stany nieustalone i udary zasilania, a także niskie emisje elektromagnetyczne, styk przekaźnikowy DC-OK, 20% rezerwy mocy wyjściowej (o tym mowa w dalszej części tego artykułu) oraz minimalny udar prądu rozruchowego. Specjalnie powlekany zasilacz ma również funkcje aktywnej korekcji współczynnika mocy (PFC) (źródło ilustracji: EE World)

Szumy i zakłócenia harmoniczne

Dwa główne typy problemów, związane z jakością energii i wynikające z samych urządzeń, to szumy i zakłócenia harmoniczne.

Szum elektryczny w energii elektrycznej odnosi się do zmian napięcia o wysokiej częstotliwości. Jest to pojęcie względne, ale zawsze oznacza częstotliwości znacznie przewyższające częstotliwość instalacji prądu zmiennego. W dziedzinie czasu prąd zmienny powinien wyglądać jak gładka fala sinusoidalna. Szum sprawia, że fala jest nierówna i chropowata.

W zasilaczach elektrycznych maszyn zawsze występuje szum spowodowany opornością przewodów. Nazywa się go szumem termicznym i generalnie stanowi zakłócenie pomijalne. Bardziej znaczący i potencjalnie szkodliwy jest szum powodowany przez lokalne odbiorniki, takie jak spawarki i silniki elektryczne. Szum pochodzący od takich elementów i układów może być często trudny do oszacowania i stanowi największe ryzyko przegrzania, zużycia, a nawet awarii podzespołów.

Harmoniczne elektryczne to zakłócenia napięcia lub prądu o częstotliwościach będących całkowitymi wielokrotnościami częstotliwości prądu zmiennego instalacji. Są one spowodowane odbiornikami nieliniowymi, takimi jak prostowniki, zasilacze komputerowe, oświetlenie fluorescencyjne i niektóre typy silników elektrycznych o zmiennej prędkości. Harmoniczne prądu są zwykle większe niż harmoniczne napięcia i co do zasady mają tendencję do generowania tych drugich.

Ilustracja 2: przebiegi harmoniczne są całkowitymi wielokrotnościami częstotliwości niektórych przebiegów podstawowych, które (w układach elektroenergetycznych) mogą nakładać się na przebieg podstawowy i powodować problemy. Harmoniczne zwykle pochodzą z jakiegoś odbiornika elektrycznego lub z podłączonej maszyny. (Źródło ilustracji: Design World)

Omawiane harmoniczne elektryczne (ze względu na sposób, w jaki powodują wytwarzanie ciepła) mogą radykalnie obniżać sprawność i żywotność silników elektrycznych. Mogą również powodować drgania i pulsacje momentu obrotowego na wyjściu mechanicznym silników elektrycznych, co skraca żywotność podzespołów przenoszenia mocy zintegrowanych z silnikami – zwłaszcza łożysk podporowych wału.

Kluczowe parametry systemów zasilania

Dwa ważne parametry dotyczące zasilaczy to współczynnik mocy i czas podtrzymania.

Współczynnik mocy jest bezwymiarowym współczynnikiem używanym do opisania różnicy między mocą rzeczywistą a mocą pozorną w układach prądu przemiennego. Moc pozorna to kombinacja mocy rzeczywistej i mocy biernej. Z kolei moc bierna jest pobierana z sieci, chwilowo przechowywana, a następnie zwracana bez zużycia. Jest to zazwyczaj spowodowane odbiornikami indukcyjnymi lub pojemnościowymi, które prowadzą do przesunięcia prądu i napięcia w fazie. Moc bierna zwiększa obciążenie układów dystrybucyjnych, obniża jakość energii i prowadzi do wyższych rachunków za energię.

Idealnie byłoby, gdyby układ miał współczynnik mocy równy jeden – co by oznaczało, że w układzie nie ma mocy biernej. Konstrukcje o współczynnikach mocy poniżej 0,95 powodują zwiększone obciążenie układu dystrybucyjnego i mogą powodować naliczanie opłat za moc bierną.

Ilustracja 3: moduł zasilający prądu zmiennego-stałego 85-100W z serii TML 100C firmy Traco Power. Aktywna korekcja współczynnika mocy (PFC) daje współczynnik mocy lepszy niż 0,95 (dla napięcia 230V~) i lepszy niż 0,99 (dla napięcia 115V~). (Źródło ilustracji: Traco Power)

Czas podtrzymania określa, jak długo zasilacz może nadal dostarczać energię o określonym napięciu po zaniku zasilania. Rozważmy przypadek zasilaczy awaryjnych (UPS) i generatorów, będących źródłami zasilania rezerwowego, stosowanymi w celu zapewnienia ciągłości zautomatyzowanych operacji podczas przerw w dostawie energii i spadków napięcia. Jak opisano dokładniej w ostatniej sekcji tego artykułu, zasilacz awaryjny (UPS) musi dostarczać energię przez odpowiednio długi czas. Jednak w zależności od jego konstrukcji, między awarią zasilania sieciowego a rozpoczęciem dostarczania energii przez zasilacz UPS może występować opóźnienie dochodzące do 25 ms.

Czas podtrzymania zasilania pozwala zasilaczowi wypełnić tę lukę, głównie wykorzystując moc zgromadzoną w kondensatorach. W rzeczywistości zasilacze impulsowe mają zwykle dłuższe czasy podtrzymania niż zasilacze liniowe ze względu na wbudowane kondensatory o wyższym napięciu.

Inne funkcje pozwalające na rozwiązanie problemów z zasilaniem spowodowanych przez maszyny

Podstawami wysokiej jakości zasilacza są: uziemienie, izolacja i filtrowane przetwornice mocy.

Uziemienie: właściwe uziemienie jest niezbędne do prawidłowego działania zasilacza. Zapewnia to napięcie referencyjne (w stosunku do którego mierzone są wszystkie inne napięcia) i ścieżkę powrotną dla prądu elektrycznego.

Izolacja: chociaż nieizolowane zasilacze mogą być bardziej energooszczędne i kompaktowe, izolacja między napięciem wejściowym i wyjściowym chroni przed niebezpiecznymi napięciami przechodzącymi na wyjście w przypadku awarii komponentów. Izolacja może być również wymagana w celu ochrony operatorów przed niebezpiecznymi napięciami lub w celu ochrony sprzętu przed stanami nieustalonymi i wzrostami napięcia.

Niektóre formy izolacji:

• Fizyczna izolacja pomiędzy komponentami

• Sprzężenie indukcyjne poprzez transformator – urządzenie zmieniające napięcie w układzie zasilania

• Sprzężenia optyczne, które najlepiej nadają się do przesyłania sygnału między różnymi częściami układu zasilania, zapewniając jednocześnie bardzo wysoki poziom izolacji.

Ilustracja 4: zasilacze często działają jako przetwornice mocy mające na celu 1) zmianę napięcia lub częstotliwości źródła prądu zmiennego lub 2) prostowanie czy inne przetwarzanie prądu zmiennego na prąd stały. Przykład: omawiana przetwornica prądu zmiennego na stały 48V 400W z modulacją częstotliwości impulsów (PFM) firmy Vicor Corp. posiada zintegrowane funkcje filtrowania i ochrony przed udarami w stanach nieustalonych. Jedno zastrzeżenie: do wejścia przetwornicy Vicor Integrated Adapter (VIA) można podłączać tylko zewnętrzne źródło wyprostowanego prądu zmiennego sinusoidalnego – przy współczynniku mocy utrzymywanym przez moduł. Harmoniczne są zgodne z normą IEC 61000-3-2, a filtrowanie wewnętrzne umożliwia spełnienie odpowiednich wymagań dotyczących udarów i zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). (Źródło ilustracji: Vicor Corp.)

Filtry elektryczne i tłumienie udarów: tłumienie udarów usuwa stany nieustalone i wzrosty napięcia, chroniąc urządzenia elektryczne przed skutkami stanów nadnapięciowych. W przeciwieństwie do tego filtry elektryczne wygładzają napięcie w układzie, aby usunąć szumy i harmoniczne.  Można rozważyć inny typ filtra elektrycznego, który jest szczególnie powszechny w zautomatyzowanych instalacjach w pobliżu miejsca użycia – filtr LC, stanowiący uzupełnienie napędów silnikowych. Filtry LC stanowią rodzaj obwodu rezonansowego (zwanego również obwodem strojonym) z cewką indukcyjną L i kondensatorem C, służącego do generowania sygnału wyjściowego o zadanej częstotliwości. Filtry LC do silników służą zwykle do przekształcania prostokątnego napięcia wyjściowego PWM przemiennika na gładką falę sinusoidalną z niewielkimi tętnieniami resztkowymi. Korzyści płynące z ich zastosowania to m.in. wydłużenie żywotności silnika poprzez uniknięcie wysokich dv/dt, nadnapięć, przegrzania i strat wynikających z prądów wirowych.

Ilustracja 5: filtr sinusoidalny LC firmy Schaffner EMC Inc. umożliwiający napędom silnikowym dostarczanie gładkiej fali sinusoidalnej bez szpilek napięcia do podłączonych uzwojeń silnika. Filtr pozwala także wykonywać instalacje z dłuższymi kablami silnikowymi. (Źródło ilustracji: Schaffner EMC Inc.)

Ochronniki przeciwprzepięciowe działają poprzez blokowanie lub zwieranie prądu lub łączą w sobie działanie przeciwprzepięciowe i zwarciowe.

Ochrona przeciwprzepięciowa poprzez blokowanie: prąd można blokować za pomocą cewek tłumiących nagłe zmiany prądu. Jednak większość ochronników przeciwprzepięciowych zwiera się, gdy występuje przepięcie, kierując prąd z powrotem do linii dystrybucji mocy, gdzie jest rozpraszany przez rezystancję w przewodach obwodu.

Ochrona przeciwprzepięciowa przez zwarcie: szybkie zwarcie (wyzwalane, gdy napięcie przekracza ustalony poziom) jest realizowane za pomocą iskiernika, lampy wyładowczej lub urządzenia półprzewodnikowego. Rzadko zdarza się (podczas dużych lub bardzo długotrwałych udarów), że udary powodują stopienie przewodów zasilających lub elementów wewnętrznych ochronnika przeciwprzepięciowego. Kondensatory również mogą tłumić gwałtowne zmiany napięcia.

Do kluczowych parametrów ochronników przeciwprzepięciowych zalicza się napięcie progowe, czas reakcji oraz energia znamionowa. Napięcie progowe – zwane również napięciem przepuszczania to maksymalne napięcie, które może przejść przez ochronnik przeciwprzepięciowy. Typowe napięcie progowe dla urządzeń 120V wynosi 220V. Energia znamionowa (zwykle w dżulach) to maksymalna moc, która może zostać zaabsorbowana, zanim elementy ochronnika przeciwprzepięciowego przepalą się i ulegną awarii.

Ważną, ale często pomijaną kwestią w przypadku ochronników przeciwprzepięciowych jest to, co dzieje się, gdy taki ochronnik przeciwprzepięciowy ulegnie awarii. Jeśli udar przekracza wartość energii nominalnej, a wewnętrzne podzespoły ulegną awarii, ochronnik nie będzie już w stanie zapewnić ochrony przed kolejnymi udarami. Ale to nie znaczy, że zasilanie jest odcięte: niektóre ochronniki przeciwprzepięciowe (takie jak np. zaprojektowane do ochrony serwerów lub innych pamięci elektronicznych) będą nadal doprowadzać zasilanie mimo awarii. Jedynym sygnałem, że ochrona przeciwprzepięciowa nie jest już aktywna, może być lampka ostrzegawcza. Inne ochronniki przeciwprzepięciowe rzeczywiście odcinają zasilanie lub redukują przenoszenie mocy w przypadku awarii.

Zasilacze awaryjne (UPS) stanowią uzupełnienie generatorów w zastosowaniach krytycznych

Zasilacze awaryjne (UPS) i generatory do zasilania rezerwowego zapewniają ciągłość pracy podczas przerw w dostawie energii i spadków napięcia.

Zasilacze awaryjne (UPS) wykorzystują akumulatory i są zwykle zaprojektowane tak, aby dostarczać zasilanie przez okres od kilku minut do kilku godzin. Generatory służą do wytwarzania energii przez dłuższy czas i wykorzystują silnik, a ich działanie jest ograniczone jedynie dostępnością paliwa. Zasilacze awaryjne (UPS) reagują natychmiast na zanik zasilania, zapewniając nieprzerwane zasilanie. Z drugiej strony generatory charakteryzują się czasem rozruchu wynoszącym co najmniej kilka sekund. W zastosowaniach, w których wymagane jest zasilanie ciągłe, zasilacz awaryjny (UPS) musi współpracować z generatorem, aby dostarczać energię podczas uruchamiania generatora.

Ilustracja 6: zasilacz awaryjny 24V= 5A jest montowany na szynie DIN i zapewnia do 25 minut zasilania rezerwowego przy pełnym obciążeniu. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Zasilacze awaryjne (UPS) chronią urządzenia przed zanikiem zasilania. Zasilacze awaryjne (UPS) typu offline lub zależne od napięcia i częstotliwości są najbardziej ekonomiczne, ale mają dwie główne wady:

• W normalnych warunkach przekazują prąd z pominięciem akumulatora bezpośrednio do wyjścia. Gdy obwód zasilacza UPS wykryje zanik zasilania, przełącznik łączy akumulator z wyjściem poprzez przemiennik. Oznacza to, że przerwa w zasilaniu może trwać nawet 25 ms.
• Nnie zapewniają żadnej ochrony lub tylko niewielką ochronę przed innymi problemami z jakością zasilania, takimi jak udary i szumy.

Natomiast zasilacze awaryjne (UPS) typu line-interactive lub niezależne od napięcia (VI) działają zasadniczo w taki sam sposób, jak zasilacze UPS zależne od napięcia i częstotliwości, ale są wyposażone w dodatkowy stabilizator napięcia, który poprawia jakość mocy wyjściowej podczas normalnej pracy. W takich układach wciąż występuje pewien czas przełączania, podczas którego następuje przerwa w zasilaniu. Trwa ona zwykle zaledwie ok. 5 ms, czyli znacznie mniej niż wynosi czas podtrzymania w przypadku większości zasilaczy.

Jeszcze wyżej poprzeczkę podnoszą zasilacze UPS typu online, zapewniając najlepszą ochronę. Są one znane również jako zasilacze UPS niezależne od napięcia i częstotliwości. W zasilaczach UPS odbiornik nie jest bezpośrednio podłączony do sieci zasilającej, ale zawsze jest zasilany z akumulatora układowego, który jest stale ładowany z sieci zasilającej. Zasilanie sieciowe jest przekształcane na napięcie akumulatora i prostowane na prąd stały, dzięki czemu może ładować akumulator. Energia z akumulatora jest następnie przekształcana na prąd zmienny, którego napięcie jest podwyższane do napięcia sieciowego przez inny transformator. Oznacza to, że problemy z jakością energii zasilającej nie wpływają na wyjście i zapewnione są bardzo wysokie poziomy jakości energii i ochrony. Jednak skutkuje to również znacznie niższą sprawnością energetyczną i wyższymi kosztami początkowymi zasilaczy UPS.

W przypadku wszystkich odbiorników, z wyjątkiem najbardziej wrażliwych i krytycznych, lepszym wyborem jest zasilacz UPS typu offline połączony z zasilaczem o wystarczającym czasie podtrzymania.

Podsumowanie

Określenie wymagań konstrukcyjnych dotyczących jakości energii jest pierwszym krokiem do zapobiegania przestojom i ponoszeniu kosztów eksploatacji związanych z „brudną” energią sieciową, szumem elektrycznym i harmonicznymi. Wymagania te różnią się znacznie w zależności od konstrukcji maszyny i jej funkcji. Jednak po zdefiniowaniu tych parametrów inżynierowie projektanci mogą odpowiednio określić specyfikacje zasilaczy z filtrami, tłumieniem udarów, zasilaniem awaryjnym i kondycjonowaniem energii. Może to znacznie poprawić niezawodność zautomatyzowanych urządzeń.