Pewne zasilanie to bezpieczna produkcja. Zasilacze bezprzerwowe dla przemysłu

Spis treści

Gdy dostępne jest podstawowe zasilanie, zwykle z sieci energetycznej, do wyjścia UPS-u równolegle dołączone są: obciążenie oraz zasobnik energii elektrycznej, na przykład bateria akumulatorów. Ten ostatni jest wówczas w miarę potrzeb doładowywany. Taki tryb pracy określa się jako normalny. W razie awarii zewnętrznego źródła napięcia obciążenie jest przełączane na zasilanie bateryjne.

Czas pracy w tym trybie, tzw. autonomicznym, uzależniony jest od pojemności zasobnika oraz obciążenia. Zanim bateria się rozładuje, można uruchomić zasilanie rezerwowe, na przykład agregat prądotwórczy, lub stopniowo i bezpiecznie wyłączyć wszystkie odbiorniki. Wybór zasilacza bezprzerwowego nie jest prosty.

W razie błędnej decyzji, w wyniku której UPS nie spełni właściwie swojej funkcji urządzenia przez niego zasilane mogą ulec uszkodzeniu, można też utracić ważne dane. Również sam zasilacz jest wówczas podatniejszy na awarie, a koszty jego eksploatacji rosną, m.in. przez większe wydatki na energię elektryczną, częste wymiany baterii, serwis, konserwację itp. Aby tego uniknąć, warto rozpocząć od określenia typu UPS-u.

Ma on bowiem decydujący wpływ na szybkość zadziałania, jakość

Rys. 1. Zasilacz UPS klasy VFD - a) obciążenie zasilane z sieci, b) awaria sieci, c) awaria UPS-u

Ze względu na topologię zasilacze bezprzerwowe dzieli się m.in. na UPS-y on-line, off-line oraz line-interactive. W zakresie ich konfiguracji możliwych jest jednak wiele kombinacji, dlatego klasyfikacja ta jest niejednoznaczna. Aby ją uściślić w normie PN-EN 62040-3 wprowadzono nowy podział, w którym głównym kryterium jest jakość napięcia zasilania. Nazwy poszczególnych typów zasilaczy bezprzerwowych według tego standardu składają się z trzech członów.

VFI, VI, VFD

Rys. 2. Przykład realizacji UPS-a klasy VI

Pierwszy z członów charakteryzuje zależność między napięciem oraz częstotliwością na wyjściu zasilacza a napięciem sieciowym na jego wejściu. Na tej podstawie rozróżnia się trzy grupy UPS-ów: VFD (Voltage Frequency Dependent), VI (Voltage Independent) oraz VFI (Voltage Frequency Independent).

W zasilaczach bezprzerwowych typu VFD przy zasilaniu sieciowym napięcie wejściowe jest bezpośrednio doprowadzane do odbiorników. W rezultacie wartość, częstotliwość oraz kształt napięcia wyjściowego zależą od analogicznych parametrów napięcia sieciowego. UPS-y tej klasy zabezpieczają zatem obciążenie jedynie przed przerwami w zasilaniu (> 10 ms) i wahaniami napięcia (< 16 ms).

Ich częścią mogą być też filtry i warystory, które dodatkowo chronią odbiorniki przed przepięciami krótkotrwałymi (4-16 ms). Schemat blokowy zasilacza VFD przedstawiono na rysunku 1. W zasilaczach bezprzerwowych typu VI w trybie pracy normalnej istnieje możliwość korekcji wartości napięcia wyjściowego, natomiast jego częstotliwość pozostaje taka sama, jak częstotliwość napięcia sieciowego.

UPS-y tej klasy zabezpieczają w związku z tym obciążenie nie tylko przed analogicznymi zaburzeniami jak te typu VFD, ale również chronią je przed długotrwałymi przepięciami dorywczymi oraz długotrwałym obniżeniem napięcia. Główne komponenty zasilacza VI przedstawiono na rysunku 2.

Częścią UPS-ów typu VFI jest obwód pośredniczący wytwarzający w trybie normalnym przebieg wyjściowy, którego napięcie i częstotliwość są w pełni niezależne od napięcia sieciowego. Dzięki temu zasilacze tej klasy chronią obciążenie również przed przepięciami przejściowymi (< 4 ms), wahaniami częstotliwości, okresowo powtarzającymi się załamaniami napięcia oraz jego długotrwałymi odkształceniami (tabela 1). Schemat blokowy UPS-a VFI przedstawiono na rys. 3.

Zasilacze buforowe - przykłady

Zasilacze buforowe zasilają odbiorniki stałoprądowe. Jako rezerwowe źródła są używane m.in. w instalacjach bezobsługowych, na przykład w przepompowniach, w systemach alarmowych, kontroli dostępu i monitoringu oraz w urządzeniach pomiarowych. W automatyce przemysłowej wykorzystuje się je do zasilania sterowników PLC, komputerów przemysłowych, systemów sterowania, itp. Poniżej przedstawiono przykładowe zasilacze tego typu z oferty lokalnych dostawców:

CBI123A
Może pełnić funkcję zasilacza impulsowego, modułu buforowego i ładowarki baterii. Wybrane cechy i parametry: jednofazowe zasilanie 115-230 V, wyjście na obciążenie (12 V/3 A) i do ładowania baterii (12 V/3 A), różne typy baterii (ołowiowo-kwasowe otwarte i zamknięte, żelowe i opcjonalnie niklowo-kadmowe), funkcje inteligentnego zarządzania baterią (dobór charakterystyki ładowania, test żywotności, różne poziomy ładowania - szybkie, doładowywanie, przywracanie, zabezpieczenie przed zwarciem i odwrotnym podłączeniem, wykrywanie zasiarczonych baterii, sygnalizacja rozładowania lub zniszczenia baterii na wyjściu przekaźnikowym, kompensacja temperaturowa napięcia ładowania), sprawność zasilacza: > 90%, wyjścia zabezpieczone przed skutkami zwarć, przeciążeń i przepięć, zakres temperatur pracy: -10...+50°C, maks. wilgotność względna (bez kondensacji): 95% do temp. 25°C, stopień ochrony: IP20.
Przeznaczone do ładowania baterii, bezpośredniego zasilania odbiorników DC oraz zasilania buforowego, czyli z dołączoną równolegle do obciążenia baterią z możliwością ograniczenia jej prądu. Wybrane cechy i parametry: zarządzanie baterią (monitorowanie i sygnalizowanie stanów awaryjnych, kontrola ciągłości obwodu baterii, kompensacja termiczna napięcia ładowania baterii, tryb automatycznego doładowania baterii do 2,4 V/ogniwo przy rozładowaniu poniżej 1,8 V/ogniwo), baterie różnego typu (kwasowe otwarte, zamknięte VRLA, zasadowe, NiCd), zasilanie: 230 V ± 10%, sprawność > 93%, tętnienia napięcia <0,5% Unom, przeciążalność prądowa: 1,15 Inom przez 15 min. moc: do 3 kW, napięcie wyjściowe: 24 V - 220 V, chłodzenie: wymuszone wentylatorem, sterowane elektronicznie, zakres temperatur pracy: -10...+40°C , maks. wilgotność: 95%, stopień ochrony IP20.

TABELA 1. UPS-y poszczególnych klas zabezpieczają obciążenie przed zaburzeniami i zakłóceniami różnego typu

Drugi człon nazwy typu zasilacza bezprzerwowego składa się z dwóch liter. Pierwsza z nich charakteryzuje kształt krzywej napięcia wyjściowego w trybie pracy normalnej, a druga w trybie autonomicznym. Y oznacza, że nie jest to przebieg sinusoidalny. Zasilacze opisywane symbolem X generują taki przebieg przy obciążeniu liniowym, natomiast przy nieliniowym współczynnik zniekształceń harmonicznych przekracza 8%.

S oznacza z kolei, że bez względu na charakter obciążenia (liniowe, czy nieliniowe) przebieg na wyjściu UPS-u jest sinusoidalny, o THD nieprzekraczającym 0,08. Ostatnią część oznaczenia stanowią trzy cyfry. Każda z nich, w skali od 1 (najlepsza) do 4 (najgorsza), opisuje dynamikę zmiany napięcia wyjściowego w różnych sytuacjach. Pierwsza cyfra dotyczy przełączenia zasilacza między różnymi trybami pracy.

Druga i trzecia cyfra odnoszą się natomiast do sytuacji, w której przy zasilaniu sieciowym i bateryjnym skokowo zmienia się odpowiednio obciążenie liniowe oraz nieliniowe. Można przyjąć, że UPS opisany jako VFD SY 333 dotychczas określany był jako off-line lub z bierną rezerwą. Zasilacz VI SX 222 może być natomiast zaliczony do grupy UPS-ów line-interactive. VFI SS 111 to z kolei UPS typu true on-line lub z podwójną konwersją. Porównanie najważniejszych cech zasilaczy klas VFD, VI i VFI przedstawiono w tabeli 2.

System zasilania gwarantowanego w fabryce jogurtów

W pewnej nowo wybudowanej fabryce jogurtów w okresie wiosenno-letnim następowały częste, kilkusekundowe przerwy w zasilaniu i wahania napięcia spowodowane szczególnie silnymi w tej okolicy wyładowaniami atmosferycznymi. Nawet tak krótkotrwała awaria powodowała zatrzymanie maszyn na linii produkcyjnej.

Wówczas bieżącą partię surowca należało wyrzucić, a elementy urządzeń mające z nim bezpośredni kontakt przed ich ponownym uruchomieniem trzeba było umyć oraz odkazić. To ostatnie mogło trwać nawet kilka godzin. W rezultacie malała wydajność produkcji, a jej koszty rosły. Aby w przyszłości uniknąć takich problemów właściciel fabryki zdecydował się na jej wyposażenie w system zasilania gwarantowanego.

Jego częścią jest stabilizator napięcia, który zabezpiecza kluczowe urządzenia przed skutkami przepięć i spadkiem napięcia oraz zasilacz UPS. W razie całkowitego braku zasilania z sieci energetycznej linia produkcyjna jest przełączana na zasilanie bateryjne. Napięcie trójfazowe z przetwornicy zasilanej z akumulatora może być dostarczane przez kilkadziesiąt sekund.

Czas podtrzymywania napięcia dobrano odpowiednio do średniego czasu trwania dotychczasowych awarii. Od czasu zainstalowania tych urządzeń nie zanotowano przypadku wstrzymania produkcji z powodu problemów z zasilaniem.

Spis treści