Stabilne zasilanie 24 VDC również podczas awarii zasilania - dobór systemu UPS

UPS AC CZY DC?

Fot. 1. Szafa sterownicza sterująca pracą dźwigu - ze względu na rozmiary system UPS AC zainstalowany na górze poza szafą (fotografia po lewej stronie) oraz po modernizacji i zastosowaniu trzech nowych modułów SITOP PSU300M 24 V/ 20 A razem z nowym systemem UPS DC bazującym na kondensatorach SITOP UPS500S 15 A / 5 kW montowanych na standardowej szynie DIN

Na samym początku należy się zastanowić, jakiego typu UPS będzie wymagany. Zaletą układów zasilających podtrzymujących pracę obwodów prądu przemiennego jest to, że z reguły zapewniają one zasilanie praktycznie wszystkim elementom występującym w danej aplikacji. Takie rozwiązanie jest jednak znacząco droższe od systemów UPS 24 V_DC.

Tak więc, jeżeli jest taka możliwość, podtrzymanie obwodów 24 V_DC będzie bardziej ekonomiczne. Dodatkowo moce wymagane po stronie obwodów 24 V_DC są z reguły znacznie mniejsze, co w rezultacie pozwala nam dobrać mniejszy i tańszy układ UPS.

Należy również pamiętać, że całkowita wydajność układów UPS DC jest znacznie wyższa niż układów AC. Wynika to z braku konieczności konwersji napięcia z akumulatorów DC na AC i odwrotnie. UPS DC zasila obwód bezpośrednio, nie jest wymagany dodatkowy układ transformacji napięcia.

ROZWIĄZANIE DLA KAŻDEJ APLIKACJI

Żaden inny producent zasilaczy nie zapewnia tak szerokiego wyboru urządzeń dla ochrony obwodów 24 V_DC, jak Siemens. Zakres tej oferty rozciąga się od prostego modułu buforującego po wielofunkcyjny system UPS DC. Trzy różne rozwiązania można stosować w zależności od wymagań danej aplikacji.

PODTRZYMANIE KRÓTKICH ZANIKÓW ZASILANIA

W przypadku niestabilnych warunków zasilania, np. tam gdzie infrastruktura sieci elektrycznej jest słabo rozwinięta, chwilowe zaniki zasilania mogą występować dość często. W konsekwencji układy, które nie są chronione, mogą wymagać ponownego rozruchu całego układu automatyki.

Zastosowanie tylko modułu buforującego może znacznie ograniczyć ten problem i znacząco zwiększyć wydajność całej aplikacji. Moduł buforujący jest połączony równolegle z zasilaczami serii SITOP modular. Kondensatory zastosowane w module pozwalają buforować obciążenia do 40 A, a jednocześnie dodatkowo zabezpieczają zasilacz w przypadku nagłych przeciążeń obwodu.

ZABEZPIECZENIE PRACY URZĄDZEŃ W PRZYPADKU AWARII ZASILANIA

W aplikacjach, gdzie układ musi być zatrzymany w bezpieczny sposób z zapamiętaniem ostatnich danych, wymagane jest wydłużone podtrzymanie zasilania. Wymogi te są typowe dla układów opartych na przemysłowych komputerach, systemach wizualizacji i archiwizacji danych. Zarejestrowanie awarii, zapisanie stanu procesu oraz bezpieczne zatrzymanie układu automatyki wymaga czasu liczonego w minutach.

Komputery przemysłowe, panele HMI czy elementy wykonawcze, które należy ustawić w stan spoczynku, mogą pobierać dość duże ilości energii. W tego typu wypadkach należy zastosować odpowiedni system UPS. Rodzina zasilaczy SITOP zapewnia szereg dodatkowych modułów, które mogą przekształcić zwykłe zasilanie w pełnoprawny system UPS.

Dwa różne rozwiązania UPS mogą spełnić postawione warunki, różnią się od siebie sposobem magazynowania energii. Pierwszym z nich jest system UPS oparty na bezobsługowych akumulatorach, natomiast drugim z nich jest system oparty na kondensatorach o dużej pojemności.

Wszystkie moduły UPS DC mają takie same podstawowe funkcje, z rozbudowanymi funkcjami monitoringu i styków sygnałowych, wszystkie też są dostępne z interfejsem PC. Bezpłatne oprogramowanie dostępne razem z układem UPS umożliwia prostą integrację z systemami PC, pozwala na dalsze przetwarzanie komunikatów statusowych oraz bezpieczne wyłączenie aplikacji.

Moduł buforujący	SITOP UPS500	SITOP DC UPS
Dodatkowy moduł buforujący stosowany razem z zasilaczami SITOP modular wyposażony w kondensatory zabezpieczające przed krótkimi zanikami zasilania.	System UPS DC oparty na kondensatorach o dużej pojemności. Czas podtrzymania liczony w minutach.	System UPS DC oparty na bezobsługowych akumulatorach. Czas podtrzymania liczony w godzinach.
Kryteria doboru: Tanie rozwiązanie w przypadku krótkich zaników zasilania do 10 s Buforowanie pracy zasilacza w przypadku krótkotrwałych wzrostów obciążenia Duże obciążenie obwodu do 40 A	Kryteria doboru: Bezpieczne zabezpieczenie danych w przypadku zamykania systemu Całkowicie bezobsługowy Szeroki zakres temperatury pracy Bark wymogu dodatkowej wentylacji szafy (brak emisji gazów) Możliwość zainstalowania poza szafą sterowniczą	Kryteria doboru: Obwód 24 VDC musi być podtrzymywany przez długi czas duże obciążenie obwodu do 40 A

SPOSÓB PRZECHOWYWANIA ENERGII ROBI ZNACZĄCĄ RÓŻNICĘ

Rys. 1. Tabela wyboru akumulatora: prąd obciążenia i czas podtrzymania

Koncepcja doboru systemu UPS powinna być odpowiednia do wymagań konkretnej aplikacji. Jeżeli wymagany jest długi czas podtrzymania automatyki, UPS z akumulatorami będzie najlepszym wyborem. W zależności od konfiguracji, może zapewnić podtrzymanie przez ponad 1 h. Moduły mogą być wyposażone w baterie od 1,2 Ah do 12 Ah. Moduły UPS dostępne są w szerokiej gamie prądów wyjściowych 6 A, 15 A i 40 A.

W przypadku, gdy wymagany czas podtrzymania nie przekracza kilku minut, ciekawym zastosowaniem może być użycie SITOP UPS500 bazującego na kondensatorach o dużej pojemności. Nowoczesne rozwiązanie jest oparte na jednostce podstawowej systemu UPS, do którego można podłączyć dodatkowe moduły magazynujące energię.

Sam moduł podstawowy przechowuje energię i w zależności od wybranego modułu może to być od 2,5 KW do 5 KW przy zapewnieniu prądu na wyjściu do 15 A. Dostępna jest również specjalna wersją modułów UPS w wykonaniu o podwyższonym stopniu ochrony IP65. Czas podtrzymania zasilania układów automatyki nie jest jedynym kryterium doboru odpowiedniego systemu UPS, występują również dodatkowe kryteria, które należy uwzględnić.

AKUMULATORY PRACUJĄCE W ŚRODOWISKU O PODWYŻSZONEJ TEMPERAT

Rys. 2. Czasy buforowania oraz ładowania SITOP UPS500

Akumulatory są elementem niezwykle wrażliwym na temperaturę otoczenia, ponieważ procesy ładowania oraz rozładowania zależą od odpowiednio zachodzących reakcji elektrochemicznych. Wiadomo również, że nawet częściowe podniesienie temperatury powoduje znaczne skrócenie żywotności akumulatora.

Typowa żywotność akumulatora to cztery lata, przy założeniu pracy w temperaturze otoczenia 20°C. Jeżeli temperatura wzrasta o 10°C, to należy założyć, że żywotność akumulatora będzie o połowę niższa.

Tak więc w przypadku, gdy akumulatory będą pracowały w temperaturze otoczenia 40°C, żywotność skróci się do 1 roku. Co prawda dostępne są specjalne akumulatory o podwyższonej żywotności i odporności na szeroki zakres temperatur, wiąże się to jednak z wyższym kosztem ich zakupu.

ZALETY SUPERKONDENSATORÓW

W przypadku kondensatorów przechowywanie oraz uwalnianie energii nie polega na zachodzących reakcjach elektrochemicznych. W porównaniu z akumulatorami są znacznie odporniejsze na proces starzenia. Po ośmiu latach pracy w temperaturze otoczenia wynoszącej 50°C spadek ich pojemności wyniesie około 20%, dzięki czemu są praktycznie bezobsługowe.

Już w drugim roku użytkowania trochę wyższy koszt zakupu kondensatorów w porównaniu z akumulatorami zostaje zamortyzowany, jeżeli temperatura otoczenia pracy wynosi 40°C. Atutem kondensatorów jest również brak konieczności wentylacji szafy sterowniczej.

W przypadku akumulatorów wydzielany wodór powinien być odprowadzony z wnętrza szafy. Kondensatory mają jeszcze jedną dodatkową zaletę, a mianowicie bardzo krótki czas ładowania. Zapewnia to ponowną gotowość systemu już w kilka minut po ponownym załączeniu zasilania.

Mirosław Kuligowski
Siemens
www.siemens.pl/sitop