Tego rodzaju sytuacja może też zagrozić bezpieczeństwu zakładu i otoczenia, np. na skutek skażenia środowiska w wyniku awarii na platformie wiertniczej albo w oczyszczalni ścieków. Ze wszystkich powyższych powodów rośnie znaczenie zasilania gwarantowanego w przemyśle, gdzie przestaje być ono dodatkowym, a staje się krytycznym zabezpieczeniem.
W zakładach przemysłowych chroni ono zarówno pojedyncze elementy wykonawcze i systemy kontrolno-pomiarowe, oddzielne stanowiska – np. te z obrabiarkami CNC i z robotami przemysłowymi, jak i kompleksowo całe linie lub obiekty produkcyjne, w rodzaju pieców hutniczych. W zależności od konkretnego rodzaju rozwiązania zasilania gwarantowanego, jego zadaniem jest podtrzymanie pracy podłączonych do niego urządzeń w razie wyłączenia zasilania, jak również poprawa jego jakości, której pogorszenie wpływa na działanie najbardziej wrażliwych odbiorników.
Przykładem są sterowniki PLC. Chociaż projektuje się je pod kątem jak najwyższej niezawodności, podobnie jak w przypadku wszystkich urządzeń elektronicznych opartych na mikroprocesorach w praktyce zależy ona od jakości i ciągłości zasilania. W związku z tym nawet jego krótki brak albo spadek poniżej wymaganego poziomu, trwający kilka–kilkadziesiąt milisekund, może skutkować błędami sterowania, restartem sterownika albo wyczyszczeniem jego nastaw.
Wymagany poziom odporności sterownika na takie zdarzenia zależy od krytyczności procesu, którym steruje. Jeśli np. jego wstrzymanie nie spowoduje marnotrawstwa produktu, który zostanie przekierowany do zbiornika awaryjnego i może zostać ponownie wykorzystany, ani nie zagraża to bezpieczeństwu, dopuszczalne jest wyłączenie zasilania – i wystarczy, że po jego załączeniu sterownik PLC zostanie znów uruchomiony. Częściej jednak wymagane jest, żeby kontroler zachował pełną funkcjonalność nawet w razie braku zasilania, by realizowane zadanie mogło być kontynuowane zgodnie z celem sterowania. Dotyczy to m.in. procesów wsadowych, w których kolejność dodawania składników jest określona i jej zaburzenie pogarsza jakość produktu.
Inny przykład to niekontrolowane zatrzymanie linii produkcyjnej. Jeżeli dojdzie do niego np. na linii rozlewniczej i w tym samym czasie zostaną zatrzymane przenośniki z butelkami, zawory dozujące oraz zakręcarki, opakowania mogą nie być jeszcze napełnione do docelowego poziomu albo pozostają niedomknięte. Taką partię trzeba będzie odrzucić. Przed włączeniem zasilania konieczne może być ręczne usunięcie butelek, które utknęły na linii, a po jego przywróceniu – ponowne zsynchronizowanie wszystkich jej urządzeń.
Jak dobrać moc zasilacza UPS?
Dobór mocy zasilacza UPS to jedna z najważniejszych decyzji w procesie organizowania systemu zasilania gwarantowanego. Jej niedoszacowanie ma poważne konsekwencje – co oczywiste przede wszystkim dla niezawodności zasilania i w rezultacie dla ciągłości działania chronionych obciążeń, ale poza tym także dla możliwości ich zwiększenia w przyszłości w ramach np. rozbudowy zakładu.
Moc zasilacza UPS warunkuje to, jakie obciążenie jest on w stanie zasilać w razie zaniku napięcia z sieci.
Jest wyrażana jako moc czynna, czyli użyteczna, w watach, i moc pozorna, wyrażana w VA, czyli całkowita przekazywana moc, uwzględniająca moc bierną. Dlatego dobierając moc zasilacza, uwzględnić trzeba również jego współczynnik mocy cosφ, czyli stosunek mocy czynnej do mocy pozornej. Charakteryzuje on efektywność, z jaką zasilacz wykorzystuje dostarczoną energię do zasilania podłączonych obciążeń. Im współczynnik mocy jest większy i bliższy jedności, tym lepiej. Wybierając zasilacz UPS, należy w związku z tym się upewnić, że jego moc pozorna, po uwzględnianiu współczynnika mocy, pokryje zapotrzebowanie wszystkich podłączonych urządzeń.
Określenie zapotrzebowania energetycznego urządzeń, zasilanych za jego pośrednictwem, jest wymagane. W tym celu można posiłkować się informacjami z ich specyfikacji, zarazem mając świadomość, że warto je zweryfikować, mierząc rzeczywiste zużycie.
Oprócz mocy kluczowym parametrem zasilaczy UPS jest czas podtrzymania, przez który mogą one zasilać odbiorniki po zaniku napięcia z sieci. W przypadku obciążeń krytycznych wymagany czas podtrzymania może być nawet liczony w godzinach, chociaż większość instalacji przemysłowych potrzebuje zaledwie 5–15 minut podtrzymania, co jest wystarczającym czasem, aby zapewnić prawidłowe wyłączenie lub rozruch agregatu prądotwórczego. W praktyce zależy on od sumarycznej mocy obciążenia oraz pojemności akumulatorów. Generalnie im większe jest zapotrzebowanie energetyczne podłączonych urządzeń, tym szybciej rozładowują się akumulatory.
Dobierając moc zasilacza, należy też zapewnić jej odpowiedni zapas. Taka rezerwa, zaplanowana ponad aktualne zapotrzebowanie energetyczne, zabezpiecza przed przeciążeniem w sytuacjach awaryjnych oraz podczas rozruchu urządzeń, kompensuje prądy udarowe, przydaje się w przypadku zmian profilu obciążenia.
BRAK ZASILANIA ROBOTA I CHŁODNI
Kolejny przykład stanowią roboty przemysłowe. Na obecnie osiągalnym przez nie poziomie dokładności pozycjonowania nawet chwilowa utrata synchronizacji ich osi może mieć poważne konsekwencje, m.in. może dojść do: zderzenia chwytaka z przedmiotem poddawanym obróbce, uszkodzenia albo zablokowania narzędzia, którym robot operuje, upuszczenia podniesionego przedmiotu albo jego przemieszczenia względem zadanego położenia, co jest problemem na liniach montażowych. W przypadku robotów spawalniczych chwilowy brak zasilania powoduje przerwanie łuku spawalniczego, co skutkuje powstaniem wad spawów, zazwyczaj niewidocznych gołym okiem, ale mających wpływ na ich wytrzymałość.
Również maszyny CNC podczas obróbki wymagają jednoczesnego precyzyjnego sterowania ruchem wielu osi i narzędzia, w synchronizacji z układem chłodzenia. Nawet krótkotrwały brak zasilania potrafi zatrzymać maszynę w chwili, gdy narzędzie będzie się znajdować w materiale. Wiertło albo frez mogą wówczas ulec złamaniu, a obrabiany przedmiot – uszkodzeniu. Problemy z zasilaniem powodują też utratę pozycji osi. Po ponownym uruchomieniu maszyna musi przejść procedurę bazowania, a operator często nie ma możliwości wznowienia programu dokładnie od miejsca jego przerwania.
Kolejny przykład to systemy chłodnicze, które utrzymują temperaturę na odpowiednio niskim poziomie w chłodniach i mroźniach, np. w magazynach produktów spożywczych i farmaceutycznych. Temperatura, w razie odcięcia zasilania instalacji ją regulującej, zaczyna wzrastać. To, jak szybko się ogrzewa, zależy od izolacji termicznej obiektu, ilości produktu w nim zmagazynowanego i temperatury otoczenia. Już kilkudziesięciominutowe przerwy zasilania mogą prowadzić do przerwania łańcucha chłodniczego. Oznacza to, że produkty mrożone zaczynają się rozmrażać. Ponieważ ze względów na spadek jakości i zagrożenie mikrobiologiczne żywności nie można ponownie zamrażać, np. w zakładach przetwórstwa mięsa, ryb, warzyw oznacza to konieczność utylizacji całych partii towaru. Podobnie w przemyśle farmaceutycznym, np. szczepionki i leki biologiczne muszą być przechowywane w wąskim, ściśle określonym przedziale temperatur i nawet jego krótkotrwałe przekroczenie powoduje utratę ich właściwości. To sprawia, że nie mogą być wprowadzone do sprzedaży.
Problemy z zasilaniem są, jak widać, źródłem poważnych problemów w zakładach przemysłowych. Jednocześnie, w przeciwieństwie do środowiska biurowego i instalacji IT, charakteryzują się one dużą zmiennością obciążeń, wysokimi prądami rozruchowymi, towarzyszącymi na przykład włączaniu silników sprężarek, pomp, przenośników i obecnością licznych odbiorników nieliniowych. W praktyce oznacza to konieczność projektowania rozwiązań zasilania gwarantowanego pod kątem nie tylko zapewnienia ciągłości zasilania, ale i poprawy jakości energii elektrycznej. Ma to na celu wyeliminowanie takich zaburzeń w sieci zakładowej, jak: krótkotrwałe i długotrwałe zaniki napięcia, zwahania wartości napięcia, tzn. jego wzrosty lub zapady, przepięcia, czyli krótkotrwałe impulsy wysokonapięciowe, wahania częstotliwości napięcia oraz odkształcenia przebiegu napięcia (wyższe harmoniczne). Możliwości takie zapewniają zasilacze UPS (Uninterruptible Power Supply).
Awaria zasilania w branży wod-kan
Oczyszczalnie i przepompownie ścieków to obiekty, w których awaria zasilania może wywołać szkody środowiskowe i stać się źródłem zagrożenia sanitarnego.
Przykładowo, zatrzymanie pomp transportujących ścieki pomiędzy kolejnymi częściami instalacji, jeżeli będzie trwało zbyt długo, skutkować może tym, że zbiorniki zaczną się przepełniać. To prowadzi do cofki i zwiększa ryzyko zalania infrastruktury albo niekontrolowanego zrzutu ścieków do środowiska. Z kolei zatrzymanie mieszadeł w osadnikach i wyłączenie systemów ich napowietrzania obniża skuteczność bakterii odpowiedzialnych za rozkład zanieczyszczeń, które potrzebują stałego dopływu tlenu.
Spadki napięcia mogą również powodować błędne wskazania czujników mierzących parametry, które charakteryzują stopień czystości wody, co prowadzi do dozowania za dużej lub za małej ilości środków chemicznych neutralizujących zanieczyszczenia.
Brak zasilania pieca
Piece przemysłowe też zalicza się do krytycznych odbiorników energii. Wymagają niezawodnej regulacji temperatury, ciągłego dopływu surowców i odprowadzania gotowych produktów, w związku z czym nawet bardzo krótkie przerwy w zasilaniu, powodujące wyłączenie układów grzewczych, dmuchaw, systemów transportu i sterowników mogą skutkować dużymi kosztami spowodowanymi stratą surowców lub uszkodzeniem pieca. Jeżeli bowiem temperatura wewnątrz zaczyna gwałtownie spadać, zmieniają się właściwości produktów, takich jak szkło, surówka żelaza albo wytapiane metale, przez co nie nadają się one do dalszej obróbki, a w końcu zastygają. W piecach łukowych przerwy w zasilaniu mogą powodować uszkodzenie elektrod. Oprócz tego wyłożenia ogniotrwałe pieców są projektowane do pracy w określonym zakresie temperatury i nie tolerują szybkiego schładzania, które może powodować powstawanie mikropęknięć. Naprawa tego typu uszkodzeń trwa często tygodniami i wymaga zatrzymania całej instalacji.
TOPOLOGIE ZASILACZY UPS
Statyczne systemy UPS są dostępne w różnych topologiach. Zasadniczo wyróżnić można trzy podstawowe architektury: offline, line-interactive i online. Elementem wspólnym dla wszystkich jest zasobnik energii, przeważnie akumulator, który magazynuje energię pobieraną z sieci podczas normalnej dostępności zasilania. Następnie przekazuje ją do obciążenia w razie pogorszenia jakości zasilania sieciowego lub jego braku. W związku z tym we wszystkich wymienionych topologiach wykorzystywane są: prostownik/ładowarka – do konwersji prądu przemiennego na prąd stały do ładowania akumulatora, falownik – do generowania prądu przemiennego dla obciążenia, oraz przełącznik statyczny – do podłączania obciążenia do wyjścia falownika albo do zasilania sieciowego, odpowiednio do potrzeb. Architektury zasilaczy UPS offline, line-interactive i online różnią się poziomem ochrony, jaki zapewniają.
Zasilacze offline, inaczej z bierną rezerwą, zawdzięczają nazwę temu, że w trybie normalnej pracy obciążenie jest zasilane bezpośrednio z sieci, a nie z wyjścia falownika. Jednocześnie do sieci podłączona jest ładowarka i za jej pośrednictwem akumulator, który się ładuje. W tym trybie zasilacz nie wpływa na napięcie zasilające obciążenie, oprócz filtrowania zaburzeń z sieci w ograniczonym stopniu. Stale za to monitoruje jego poziom. W razie wykrycia zaniku napięcia sieciowego albo znaczącego pogorszenia jego parametrów, następuje przełączenie na zasilanie akumulatorowe, w którym obciążenie jest podłączone do falownika. Dzięki temu podtrzymuje się ciągłość działania ochranianego urządzenia. Przełączenie to nie jest jednak natychmiastowe – występuje nieunikniona przerwa w zasilaniu, która może trwać kilka milisekund. W praktyce wiele obciążeń jest w stanie działać przez ten czas bez problemu, chociaż wrażliwsze urządzenia mogą się nawet w tak krótkim czasie wyłączyć.
Zaletą zasilaczy UPS w topologii offline jest prosta konstrukcja w porównaniu z pozostałymi architekturami. To przekłada się niższy koszt. Z drugiej strony, zapewniają one ograniczoną ochronę jedynie przed zanikami zasilania i zapadami napięcia. Dlatego nie powinno się z nich korzystać, jeśli jakość zasilania z sieci pozostaje niska. Wadą jest też odczuwalnie długi czas przełączania z zasilania sieciowego na bateryjne.
Aneta Jaroniek-Pawlak - EVER
W jaki sposób Państwa zasilacze eliminują zapady, przepięcia i wyższe harmoniczne przy obciążeniach nieliniowych i wysokich prądach rozruchowych?
W naszych zasilaczach UPS klasy VFI on-line eliminacja zapadów napięcia, przepięć oraz innych zakłóceń sieciowych dokonuje się dzięki topologii podwójnej konwersji energii. Napięcie wejściowe jest najpierw przetwarzane na napięcie stałe przez prostownik, a następnie ponownie zamieniane przez falownik na stabilne napięcie przemienne o kontrolowanych parametrach. Odbiorniki krytyczne są więc zasilane przez falownik UPS, a nie bezpośrednio z sieci energetycznej. Dzięki takiej architekturze zapady napięcia, krótkotrwałe zaniki, przepięcia, wahania częstotliwości oraz większość zakłóceń występujących po stronie sieci nie są przenoszone do chronionych urządzeń. UPS dostarcza napięcie o stabilnej wartości i sinusoidalnym przebiegu niezależnie od jakości zasilania wejściowego.
W przypadku obciążeń nieliniowych – takich jak serwery, zasilacze impulsowe, falowniki czy systemy automatyki – kluczowe znaczenie ma zdolność UPS do utrzymania niskiego poziomu odkształceń napięcia wyjściowego mimo odkształconego poboru prądu. Osiągamy to dzięki odpowiednio zaprojektowanemu torowi prostownik–falownik, wysokiej wydajności układów sterowania oraz zdolności do współpracy z odbiornikami o wysokim współczynniku szczytu prądu (crest factor).
Przy wysokich prądach rozruchowych szczególnie istotna staje się przeciążalność falownika oraz właściwy dobór mocy UPS-a do rzeczywistego charakteru obciążenia. Analizujemy nie tylko moc znamionową urządzeń, ale również prądy rozruchowe, dynamikę zmian obciążenia oraz wymagania dotyczące ciągłości pracy. Pozwala to uniknąć przeciążeń i zachować stabilne parametry zasilania nawet podczas krótkotrwałych skoków poboru mocy.
W serii POWERLINE GREEN 33 PRO znaczenie mają m.in. trójfazowa topologia online, wysoki współczynnik mocy, niski poziom odkształceń prądu wejściowego oraz konstrukcja polskiego zasilacza przystosowana do pracy z wymagającymi odbiornikami przemysłowymi. Dodatkowym wsparciem jest praca hybrydowa, przydatna m.in. w instalacjach z tzw. miękką siecią, niewystarczającym przyłączem energetycznym lub przy współpracy z agregatem. Jeżeli chwilowy wzrost obciążenia powoduje obniżenie napięcia, UPS może częściowo korzystać z dostępnego źródła zasilania, a brakującą moc uzupełniać z akumulatorów. Pozwala to ograniczyć przejścia na pełną pracę bateryjną, wydłużyć czas zasilania odbiorników i zmniejszyć obciążenie akumulatorów.
W praktyce UPS nie tyle „usuwa” źródło zakłóceń w instalacji, ile skutecznie separuje od nich odbiorniki krytyczne i zapewnia im przewidywalne parametry zasilania.
W jakim horyzoncie czasowym zwraca się inwestycja w zasilacz online z podwójną konwersją w porównaniu do tańszej topologii line-interactive?
Traktowanie systemu zasilania gwarantowanego jak inwestycji, która ma się tylko „zwrócić” w określonym czasie – tak jak np. instalacja fotowoltaiczna – to nieporozumienie. UPS stanowi polisę ubezpieczeniową dla ciągłości procesów w zakładzie. W środowisku przemysłowym porównywanie technologii line-interactive z online z podwójną konwersją w kategoriach „ceny zakupu” w ogóle nie powinno mieć miejsca. To nie są rozwiązania równorzędne.
Urządzenia line-interactive mają czas przełączania na pracę bateryjną od 4 do 10 milisekund. Dla nowoczesnej, czułej automatyki, sterowników PLC, sieci przemysłowych czy robotów te milisekundy to wieczność. Urządzenia te zdążą się zresetować, zanim UPS w ogóle zareaguje. Dodatkowo, topologia line-interactive nie izoluje odbiorników od wahań częstotliwości czy harmonicznych w sieci.
Jaki jest więc realny zwrot z inwestycji w klasę ONLINE? Wynosi on dokładnie tyle, ile trwa pierwszy poważniejszy zapad napięcia lub mikroprzerwa w sieci. Jeśli UPS klasy online podtrzyma pracę linii produkcyjnej i zapobiegnie chociażby jednemu awaryjnemu zatrzymaniu maszyn, inwestycja zwraca się natychmiast. Koszt usunięcia zatoru na linii, utylizacji zmarnowanego surowca oraz ponownego rozruchu technologicznego niemal zawsze wielokrotnie przewyższa różnicę w cenie zakupu między tańszym UPS-em a urządzeniem w pełni profesjonalnym.
Analizując opłacalność wdrożenia UPS POWERLINE GREEN 33 PRO, musimy wyjść daleko poza samą ochronę przed przerwami w zasilaniu. Kluczem jest TCO, czyli całkowity koszt posiadania urządzenia w perspektywie kilku lub kilkunastu lat.
W mojej praktyce zawodowej bardzo często spotykam się z sytuacją, gdy inwestor kupuje UPS, a potem przeciera oczy ze zdumienia, widząc rachunki za energię elektryczną. Powód? Kary za pobór mocy biernej pojemnościowej, którą generują filtry wejściowe zasilacza, zwłaszcza gdy pracuje on przy niskim obciążeniu. W serii GREEN 33 PRO 10-40 kW ten problem został wyeliminowany u źródła. Obwód wejściowy zasilacza zaprojektowano tak, aby działał jak elektroniczny przesuwnik fazowy. Oznacza to, że UPS na bieżąco kompensuje moc bierną pojemnościową generowaną przez własne układy. Dla właściciela zakładu to potężny argument: eliminujemy ryzyko naliczania dodatkowych opłat przez dystrybutora energii, co bezpośrednio przekłada się na realne, comiesięczne oszczędności.
UPS LINE-INTERACTIVE
Zasilacz UPS typu line-interactive to rozwiązanie hybrydowe, uzupełnione o możliwość regulacji napięcia w linii bezpośredniego podłączenia obciążenia do sieci, w której w zasilaczach typu off-line włączony jest ewentualnie jedynie prosty filtr. W topologii line-interactive dodaje się w niej natomiast blok korekcji napięcia AVR (Automatic Voltage Regulation). Tak jak w zasilaczach z bierną rezerwą, UPS typu line-interactive zasila obciążenie z sieci i podłącza je do falownika w razie awarii zasilania. Ładowarka, akumulator oraz falownik są wykorzystywane tak samo, jak w zasilaczach offline, ale dzięki dodatkowemu blokowi regulacji obciążenie jest rzadziej przełączane na zasilanie z akumulatora za pośrednictwem falownika. Wynika to stąd, że układ AVR odpowiada za to, by korygować niewielkie odchyłki napięcia zasilającego, podnosząc je lub obniżając. Dzięki temu rozszerza się zakres zmienności napięcia z sieci, przy którym zasilacz UPS pracuje w trybie sieciowym, bez konieczności przełączenia obciążenia na zasilanie z akumulatora. Dopiero większe odchyłki, głęboki spadek lub duży wzrost napięcia poza tolerancją bloku AVR, powodują, że UPS line-interactive, tak jak ten z rezerwą bierną, przełączy się na zasilanie akumulatorowe, by podtrzymać zasilanie chronionego urządzenia.
Topologia ta ma ważne zalety w porównaniu z architekturą offline. Przede wszystkim zmniejsza się częstość przełączeń odbiorników na zasilanie akumulatorowe. To zmniejsza liczbę cykli ładowania/rozładowania zasobników energii, a dzięki temu wydłuża się ich żywotność. Krótszy jest również czas przełączenia na zasilanie z akumulatorów. Niestety, opóźnienie to całkowicie nie zostaje wyeliminowane, co w przypadku odbiorników bardzo wrażliwych może być przyczyną ich wyłączenia. Poza tym ta topologia nie gwarantuje kompleksowej ochrony przed zaburzeniami mogącymi wystąpić w sieci, takimi jak m.in. wahania częstotliwości czy harmoniczne.
Case study – brak współpracy UPS-agregat
W pewnym zakładzie produkcyjnym wystąpiła długotrwała przerwa w dostawie energii elektrycznej, spowodowana gwałtownymi zjawiskami atmosferycznymi. Obiekt był wyposażony w system zasilania gwarantowanego, składający się z agregatu prądotwórczego z silnikiem Diesla oraz zasilacza UPS, którego zadaniem było zapewnienie ciągłości zasilania podczas awarii sieci. W trakcie przedłużającego się zaniku napięcia zasilacz UPS nie przełączył się jednak na zasilanie z agregatu i kontynuował pracę podłączony do akumulatorów. To doprowadziło do ich całkowitego rozładowania i w efekcie – wyłączenia odbiorników krytycznych.
Przebieg zdarzenia
Burza spowodowała rozległe uszkodzenia sieci energetycznej, skutkując przerwą w dostawach prądu w okolicy zakładu. Na brak zasilania natychmiast zareagował układ SZR, automatycznie uruchamiając agregat. Tenże agregat był sprawny i w dobrym stanie technicznym, utrzymywanym dzięki regularnej konserwacji. Zasilacz UPS był tak skonfigurowany, że w takiej sytuacji powinien automatycznie przełączyć się z zasilania akumulatorowego na zasilanie rezerwowe z agregatu, zapewniając nieprzerwaną pracę odbiorników krytycznych. Tak się jednak nie stało, ze względu na wahania częstotliwości napięcia wyjściowego agregatu. W konsekwencji UPS pozostał podłączony do akumulatorów. Ich pojemność była wystarczająca, by zapewnić ciągłość zasilania zakładu przez kilka minut, awaria zasilania z sieci jednak trwała kilka godzin. W tym czasie agregat, w związku z nieprawidłowym działaniem jego układu regulacji napięcia, wciąż generował niestabilne napięcie i nie był rozpoznawany przez UPS jako stabilne źródło zasilania. Zasilacz, w reakcji na szybkie rozładowywanie się akumulatorów, zdążył jeszcze wygenerować alarmy ostrzegawcze i po wyczerpaniu się zasobników energii, wyłączył się, odcinając od zasilania urządzenia w zakładzie.
Później przeprowadzono analizę przyczyn tej awarii. Okazało się, że w ustawieniach zasilacza określono zbyt dużą czułość na wahania parametrów napięcia wejściowego. Skorygowano to, dostosowując ustawienia do rzeczywistych możliwości generacyjnych agregatu. Po wprowadzeniu tych zmian współpracę zasilacza UPS ze źródłem rezerwowym pomyślnie przetestowano.
ZASILACZE UPS ONLINE
Najbardziej zaawansowany jest trzeci typ zasilaczy UPS w konfiguracji online. Inna ich nazwa to zasilacze z podwójną konwersją. Określenie to wynika stąd, że napięcie sieciowe jest najpierw prostowane w celu naładowania akumulatorów, a następnie w falowniku dokonuje się przekształcenie odwrotne, aby zasilić odbiorniki. Zachodzi zatem podwójna konwersja: AC/DC i DC/AC. Odbiorniki są w pełni izolowane od sieci. Ponadto, w razie zaniku napięcia sieciowego praca falownika jest podtrzymywana z akumulatora bez przerwy odczuwalnej przez odbiornik. W tej topologii uzyskuje się więc najwyższą jakość zasilania – eliminowane są wszelkie zaburzenia z sieci, ponieważ napięcie zasilające obciążenie jest generowane wewnętrznie w zasilaczu UPS. Jednocześnie gwarantowane jest bezprzerwowe zasilanie w razie awarii sieci, co odpowiada na potrzeby najwrażliwszych odbiorników. Dlatego ta topologia jest preferowana w przemyśle.
Z drugiej strony, zasilacze UPS tego typu są droższe od pozostałych, również w eksploatacji. To wynika z niższej sprawności, silniejszego nagrzewania się i konieczności częstszej konserwacji. W przypadku obciążeń krytycznych zwykle jednak możliwość uniknięcia strat związanych z przerwą w zasilaniu z nadwyżką rekompensuje koszt zasilacza z podwójną konwersją.
Adrian Woźniak - WAKS
Jak kształtuje się Państwa portfolio zasilaczy UPS pod względem mocy i topologii?
Portfolio IPS-UPS obejmuje rozwiązania od małych zasilaczy do stanowisk komputerowych, automatyki i monitoringu, przez urządzenia line-interactive 1-3 kVA, aż po systemy online z podwójną konwersją i zasilacze trójfazowe dla infrastruktury krytycznej (seria WAKSPOWER33-G5). Dla prostszych aplikacji, takich jak komputery, monitoring, systemy alarmowe czy niewielkie szafy teletechniczne, stosujemy modele line-interactive, np. serie cctv-UPS-2U lub TM-LI officePRO. Dla serwerów, automatyki, systemów przemysłowych i obciążeń krytycznych rekomendujemy zasilacze online VFI, takie jak RTS11-ON 1–3 kVA.
Na ile elastyczny jest Państwa model współpracy przy projektowaniu zasilania gwarantowanego dla nietypowych obciążeń?
W wielu projektach nie dobieramy wyłącznie samego UPS-a, ale kompletną konfigurację: UPS, akumulatory, kasety bateryjne, stojak, zabezpieczenia DC, przewody, ładowarkę, monitoring i sposób pracy z agregatem.
Który z typów akumulatorów stanowi dziś najtrudniejszy kompromis między kosztem, żywotnością a bezpieczeństwem?
Najtrudniejszy kompromis dotyczy technologii litowo-jonowej. Z jednej strony, oferuje ona mniejszą masę, większą liczbę cykli i dłuższą żywotność, co może być atrakcyjne w aplikacjach o ograniczonej przestrzeni. Z drugiej, wymaga bardziej rozbudowanego nadzoru, odpowiednich zabezpieczeń i wyższego budżetu początkowego. W typowych systemach IPS-UPS nadal najczęściej stosujemy VRLA AGM, np. akumulatory MW Power, ponieważ dobrze sprawdzają się w pracy buforowej i są przewidywalne serwisowo.
W jaki sposób Państwa zasilacze eliminują zapady, przepięcia i harmoniczne przy obciążeniach nieliniowych?
W trudniejszych warunkach stosujemy UPS online, np. RTS11-ON lub WAKSPOWER11. Podwójna konwersja zapewnia stabilne napięcie sinusoidalne i ogranicza wpływ zakłóceń sieciowych na odbiornik. Przy obciążeniach nieliniowych i wysokich prądach rozruchowych nie dobieramy UPS wyłącznie po mocy znamionowej. Zwykle użytkownik nie ma świadomości, że napięcie, którym zasila swoje odbiorniki, nigdy nie jest napięciem sieciowym – ono tworzy się zawsze w wewnętrznej baterii akumulatorów. Dzięki temu pozostaje bardzo stabilne.
Jaką rolę w Państwa ofercie odgrywa monitoring stanu akumulatorów i zdalna diagnostyka UPS?
Monitoring jest dziś jednym z kluczowych elementów systemu zasilania gwarantowanego. W urządzeniach IPS-UPS stosujemy komunikację USB, RS232, karty SNMP oraz karty styków bezpotencjałowych dry contact, zależnie od serii i wymagań aplikacji. Niedługo pojawi się również opcja bluetooth.
AKUMULATORY DLA UPS
W zasilaczach UPS korzysta się z różnych typów akumulatorów. Popularne są kwasowo-ołowiowe, chociaż stosuje się również niklowo-kadmowe oraz litowo-jonowe. W dziedzinie tych ostatnich następuje szybki rozwój. Są preferowane, gdy jest wymagana duża gęstość energii i jednocześnie niska waga. Akumulatory kwasowo-ołowiowe natomiast stanowią ekonomiczny wybór w zastosowaniach dużej mocy, jeśli waga nie ma znaczenia. Modele tego typu są powszechnie wykorzystywane jako zasobniki energii w zasilaczach UPS, przede wszystkim ze względu na wysoką sprawność energetyczną przy niskiej impedancji wewnętrznej i przystępną cenę. Zbudowane są z płyt wykonanych z ołowiu (elektroda ujemna) i tlenku ołowiu (elektroda dodatnia), zanurzonych w elektrolicie w postaci wodnego roztworu kwasu siarkowego. Główne typy akumulatorów kwasowo-ołowiowych to: VRLA (Valve – Regulated Lead – Acid) – uszczelnione, bezobsługowe oraz flooded, czyli mokre (otwarte, wentylowane).
Akumulatory VRLA można zamontować w dowolnej pozycji. Ich obudowa jest wyposażona w zawór, który odprowadza wydzielający się gaz na zewnątrz. Do jego nagromadzenia się zwykle dochodzi wyjątkowo, np. gdy akumulator jest poddawany szybkiemu rozładowaniu lub szybkiemu ładowaniu. Modele VRLA zazwyczaj nie wymagają bezpośredniej konserwacji – nie trzeba ich uzupełniać wodą, gdyż wodór uwalniany podczas ładowania wchodzi w reakcję z tlenem, tworząc wodę. Wyróżnić można dwa typy akumulatorów VRLA ze względu na rodzaj elektrolitu. Są to: AGM (Absorbed Glass Material), w których elektrolitem nasącza się maty z włókna szklanego, oraz akumulatory żelowe. Zasilacze UPS zwykle współpracują z akumulatorami VRLA AGM, ze względu na ich niższą rezystancję wewnętrzną, wysoką moc właściwą oraz sprawność, niski współczynnik rozładowania, szybsze ładowanie. Są też tańsze niż żelowe.
Dlaczego akumulatory VRLA ulegają awarii?
Awaria akumulatora jest częstą przyczyną problemów w działaniu zasilaczy UPS. Poza zwarciami wyróżnić można trzy główne mechanizmy zmniejszające żywotność i wydajność akumulatorów kwasowo-ołowiowych typu VRLA.
Pierwszy stanowi korozja elektrod. Rozwija się ona zwykle w wyniku utleniania elektrody dodatniej. Skutkiem staje się ubytek materiału aktywnego biorącego udział w reakcjach chemicznych. To zjawisko jest nieuniknione. Akumulator, który z tego powodu ulega awarii, prawdopodobnie właśnie osiągnął lub już dawno przekroczył zakładany przez producenta okres eksploatacji. Zmniejszenie poziomu rozładowania, ograniczenie liczby cykli ładowania/rozładowania i zapewnienie umiarkowanych temperatur pracy to działania zapobiegawcze, które mogą spowolnić korozję elektrod.
Kolejny powód to wysychanie, czyli utrata elektrolitu. Jego głównymi przyczynami są przegrzanie, które przyspiesza parowanie wody, albo przeładowanie – przy zbyt wysokim napięciu ładowania szybkość reakcji zachodzących w akumulatorze nie jest wystarczająca, by zagospodarować ilości wytwarzanego wodoru i tlenu. Prowadzi to do wzrostu wewnętrznego ciśnienia, które powoduje otwarcie zaworu bezpieczeństwa. W akumulatorach VRLA elektrolitu utraconego do otoczenia odzyskać nie można. W najgorszym przypadku może to spowodować niekontrolowany wzrost temperatury, a nawet pożar lub wybuch.
Podczas normalnej pracy, gdy akumulator kwasowo-ołowiowy się rozładowuje, na jego elektrodach osadzają się kryształy siarczanu ołowiu, który w czasie ładowania przekształcany jest z powrotem w materiały aktywne – tlenek ołowiu i kwas siarkowy. Jeżeli akumulator pozostaje rozładowany albo tylko częściowo naładowany przez określony czas, te kryształy twardnieją i nie jest już możliwe ich ponowne przekształcenie podczas ładowania.
CO WYRÓŻNIA AKUMULATORY LITOWO-JONOWE?
W akumulatorach mokrych elektrody są zanurzone w ciekłym elektrolicie. Nie są uszczelniane, żeby wodór wytwarzany podczas ich pracy mógł wydostać się do otoczenia. To oznacza, że wymagają wentylacji wydajniejszej niż akumulatory VRLA. Zwykle baterie akumulatorów mokrych zasilaczy UPS znajdują się w wydzielonym pomieszczeniu. Muszą być również przechowywane i eksploatowane w pozycji pionowej oraz wymagają dolewania wody. W porównaniu z VRLA charakteryzuje je jednak dłuższa żywotność.
Elektrody akumulatorów niklowo-kadmowych są wykonane z wodorotlenku niklu (elektroda dodatnia) i kadmu (elektroda ujemna). Elektrolit jest wodnym roztworem wodorotlenku potasu. Akumulatory tego typu mają liczne zalety. Są odporne na ekstremalne temperatury, mają długą żywotność, liczoną w cyklach ładowania/rozładowania, jak i w czasie przechowywania, zwłaszcza w razie całkowitego rozładowania. Są odporne na głębokie rozładowanie. Ich niska rezystancja wewnętrzna zapewnia wysoką gęstość mocy w połączeniu z możliwością szybkiego ładowania. Jednocześnie są znacznie droższe niż akumulatory VRLA, pozostają kosztowne w utylizacji i wymagają konserwacji (uzupełniania wody).
W akumulatorach litowo-jonowych katoda jest wykonana z tlenku metalu, a anoda zwykle z grafitu porowatego. Są one zanurzone w ciekłym elektrolicie z soli litu w rozpuszczalniku organicznym. Ze względu na metal katody wyróżnić można kilka typów akumulatorów litowo-jonowych, w tym z tą elektrodą wykonaną z: tlenku litu i kobaltu (LCO), tlenku litu i manganu (LMO), tlenku litu, niklu, manganu i kobaltu (NMC), fosforanu litu i żelaza (LFP), tlenku niklu i kobaltu (NCA). W zasilaczach UPS najczęściej wykorzystuje się połączenie akumulatorów LMO–NMC i akumulatory LFP, ze względu na ich długą żywotność, bezpieczeństwo i dużą gęstość mocy.
PRZEMYSŁOWE ZASILACZE UPS
Zasilacze UPS zabezpieczające komputery w biurach nie sprawdzą się oczywiście w zakładach przemysłowych, które wymagają rozwiązań zasilania gwarantowanego, zaprojektowanych do pracy w trudnych warunkach i pod kątem ochrony obciążeń krytycznych o ograniczonej tolerancji na przestoje. Przemysłowe zasilacze UPS zasadniczo wyróżniają się mocą oraz konstrukcją, która zapewnia odporność na uciążliwe czynniki w ich otoczeniu.
Podstawowa różnica dotyczy mocy, która określa, jakie obciążenie UPS jest w stanie zasilać w przypadku zaniku napięcia z sieci. Moc biurowych zasilaczy zazwyczaj mieści się w przedziale od kilkuset VA do kilkudziesięciu kVA. Są one też przeznaczone do zasilania obciążeń jednofazowych. Z kolei w obiektach przemysłowych zapotrzebowanie na moc typowo mieści się w zakresie od kilkuset kVA do kilku MVA, a większość odbiorników wymaga zasilania trójfazowego. Od zasilaczy przemysłowych oczekuje się również dostarczania zasilania o odpowiedniej jakości, nawet przy prądach rozruchowych urządzeń o kilka–kilkanaście razy większych niż obciążenia znamionowe.
Właściwy dobór mocy zasilacza UPS decyduje o tym, czy zapewni on wymagany czas podtrzymania podczas przerw zasilania (patrz ramka: „Jak dobrać moc zasilacza UPS?”). Jednocześnie powinno się unikać przewymiarowania pod tym kątem, ponieważ wpływa to na jego cenę. Konieczne dla spełnienia tych wymagań jest jak najdokładniejsze oszacowanie obciążenia – nie tylko na podstawie wartości znamionowych, wynikających ze specyfikacji poszczególnych urządzeń, ale przede wszystkim opierając się na rzeczywistym zużyciu, które w tym celu trzeba zmierzyć. W obliczeniach wymaganej mocy pozornej zasilacza wykorzystuje się następujący wzór:
wymagana moc w kVA = całkowite obciążenie w watach · 1,25 / współczynnik mocy cosφ · 1000.
Ujęty w tej formule mnożnik 1,25 oznacza przyjęcie 25% marginesu na przyszłą rozbudowę. Ponadto przy obliczaniu zapotrzebowania należy wziąć pod uwagę specyfikę rozruchu. Niektóre obciążenia mogą pobierać nawet kilkakrotność prądu znamionowego podczas uruchamiania. Z kolei wymagania dotyczące czasu podtrzymania znacząco wpływają na dobór pojemności akumulatorów i w konsekwencji na ich koszt. Większość instalacji przemysłowych potrzebuje typowo zaledwie 5–15 minut podtrzymania. Zwykle to wystarczy, aby można było wszystkie urządzenia bezpiecznie wyłączyć lub uruchomić agregat prądotwórczy. Wydłużenie czasu pracy powyżej 30 minut zazwyczaj kosztuje mniej, jeżeli korzysta się z agregatu niż z akumulatorów zasilacza UPS, o wymaganej w takim przypadku odpowiednio dużej pojemności.
Jeżeli chodzi o topologie zasilaczy UPS, to – jak pisaliśmy – konstrukcje z podwójną konwersją online zapewniają najwyższy poziom ochrony na wypadek zaniku zasilania, a zarazem jego najwyższą jakość niezależnie od warunków w sieci. Dlatego są preferowaną topologią w przypadku zasilaczy przemysłowych. Konfiguracja line-interactive zapewnia dostateczną ochronę, ale nie jeśli spodziewane są głębokie spadki napięcia i przepięcia, typowe w warunkach przemysłowych. Wybierając topologię offline, chociaż najbardziej ekonomiczną, ryzykuje się natomiast uszkodzenie wrażliwego sprzętu ze względu na stosunkowo długie czasy przełączania.
ODPORNOŚĆ ŚRODOWISKOWA
Jeżeli chodzi o akumulatory, to kwasowo-ołowiowe typu VRLA dominują w przemysłowych zasilaczach UPS, preferowane ze względu na niezawodność oraz niższy koszt początkowy. Poza tym wymagają wspomnianej minimalnej konserwacji w porównaniu z akumulatorami mokrymi, zapewniając jednocześnie zwykle do pięciu lat żywotności w typowych warunkach w przemyśle. Jednocześnie w przemysłowych systemach zasilania gwarantowanego upowszechniają się akumulatory litowo-jonowe – docenia się ich dłuższy, nawet kilkunastoletni okres eksploatacji i o ponad połowę mniejsze rozmiary. Chociaż ich zakup może okazać się nawet dwukrotnie droższy niż w przypadku akumulatorów typu VRLA, dłuższa żywotność i mniejsze koszty konserwacji przekładają się na ich niższy całkowity koszt. Ponadto zachowują pojemność w podwyższonych temperaturach, co jest ważną zaletą w obiektach, których chłodzenie jest drogie.
Odporność na warunki pracy odróżnia przemysłowe zasilacze UPS od tych biurowych. Wymagany poziom ochrony, jakie powinna zapewniać ich konstrukcja, zależy od oceny uciążliwości czynników, na które zasilacz będzie narażony w danym obiekcie przemysłowym. Należy wziąć pod uwagę m.in. zanieczyszczenia powietrza, takie jak wióry metalowe na stanowiskach z obrabiarkami lub pył mączny w piekarniach. Ekstremalne temperatury, wysoki poziom wilgotności, obecność atmosfery korozyjnej – to kolejne zagrożenia występujące np. w zakładach przetwórstwa żywności, chemicznych, w branży naftowej czy morskiej. Aby ograniczyć wpływ wymienionych czynników na działanie zasilaczy UPS, w tych w wersjach dla przemysłu m.in. płytki drukowane zabezpiecza się powłokami konformalnymi i zamyka je w uszczelnionych obudowach, zapewniających wymagany stopień ochrony, z zewnątrz zabezpieczonych powłokami ochronnymi, np. proszkowymi. UPS klasy przemysłowej wyposaża się też w redundantne systemy chłodzenia, zapobiegające awariom na skutek przegrzania.
ZASILACZ UPS + AGREGAT
W ochronie obiektów przemysłowych najefektywniejszym rozwiązaniem jest uzupełnienie zasilacza UPS o agregat prądotwórczy. W takiej konfiguracji ten pierwszy w razie wystąpienia problemów z dostępnością napięcia z sieci bez zwłoki przejmuje zasilanie obciążeń z akumulatorów przez ograniczony czas, z kolei uruchamiany później agregat prądotwórczy zapewnia długotrwałe podtrzymanie ich działania.
Agregaty prądotwórcze są zasilane paliwem. Poza jego zbiornikiem, ich kluczowe komponenty to: silnik, prądnica oraz sterownik. Mogą być uruchamiane ręcznie albo przez system samoczynnego załączania rezerwy SZR (Automatic Transfer Switch, ATS). Agregaty wyposażone w moduł SZR nie wymagają ingerencji człowieka – automatycznie wykrywają zaniki napięcia i uruchamiają się. Podobnie po przywróceniu napięcia w sieci, samoczynnie się wyłączają. Dzięki temu uruchamianie i wyłączanie agregatu jest szybsze niż przy obsłudze ręcznej. Jednak nawet dostępność funkcji SZR nie eliminuje pewnej niewielkiej zwłoki czasowej, która występuje między zanikiem lub powrotem napięcia w sieci a załączeniem albo wyłączeniem agregatu. Dlatego dopiero po ustabilizowaniu się napięcia generowanego przez agregat następuje przełączenie zasilania wejścia UPS z akumulatorów na agregat.
Aby poprawić jakość zasilania z tego źródła, wyposaża się je w bloki stabilizacji AVR. Mimo to generalnie do współpracy z agregatami prądotwórczymi, ze względu na niestabilność napięcia przez nie generowanego, zaleca się zasilacze z podwójną konwersją. Kluczowe jest oprócz tego dobranie zasilacza UPS, który charakteryzuje się odpowiednio szerokim zakresem tolerancji parametrów wejściowych. Ponadto moc agregatu powinna być typowo od 20 do 70% większa niż moc znamionowa zasilacza UPS.
Monika Jaworowska
