Nadmiarowość w systemach zasilania rezerwowego (część 1.)

redundancja czynna

Nazywana również równoległą, polega na takim podłączeniu elementu rezerwowego, że przy normalnej pracy układu bierze on udział w pracy systemu i w każdej chwili może zastąpić uszkodzony element tego układu. W układach zasilania bezprzerwowego redundancja czynna polega na instalowaniu w układzie równoległym UPS dodatkowych jednostek, które przez cały czas biorą udział w pracy układu. W przypadku awarii dowolnej jednostki UPS, zostaje ona automatycznie wyłączona z pracy, a pozostałe, w tym rezerwowa, w sposób bezprzerwowy przejmują obciążenie.

Najprostszym rozwiązaniem układu nadmiarowego jest zainstalowanie dwóch jednostek UPS, każda o mocy wystarczającej do przejęcia pełnego obciążenia. Gdy jeden UPS ulegnie awarii, wówczas drugi przejmuje pełne obciążenie i zapewni zasilanie odbiorom. Przerwa w zasilaniu odbiorów następuje wówczas dopiero przy awarii obu jednostek UPS. Taka redundancja jest określana mianem 1+1. Można również zbudować układ równoległy z redundancją typu 1+2, tzn. można zainstalować w centralnym węźle trzy jednostki UPS, takie, że każda z nich jest w stanie przejąć pełne obciążenie węzła. Wówczas przerwa w zasilaniu odbiorów nastąpi dopiero wtedy, gdy wszystkie trzy jednostki ulegną awarii. Takie rozwiązanie jest jednak drogie, stąd bywa rzadko stosowane w praktyce [1].

Tańszym rozwiązaniem jest podział obciążenia pomiędzy większą liczbę jednostek UPS i zapewnienie tylko jednej jednostki rezerwowej. Jeśli n jednostek UPS jest w stanie zapewnić pełne obciążenie centralnego węzła, a dodatkowo instalowany jest jeden UPS nadmiarowy, to takie rozwiązanie określane jest jako redundancja n+1-elementowa. Na przykład, obciążenie 400 kVA może być zasilane z układu pięciu jednostek UPS po 100 kVA każda, z których cztery jednostki wystarczają do pokrycia obciążenia, a piąta jednostka jest nadmiarowa. Mamy wówczas układ redundantny 4+1-elementowy. Każda dodatkowa jednostka wnosi jednak potencjalną (statystycznie) możliwość uszkodzenia. Należy więc znaleźć równowagę pomiędzy dodatkową odpornością układu na awaryjne wyłączenie zasilania a dodatkowym kosztem i zwiększonym prawdopodobieństwem uszkodzenia jednostki (nie układu). Stąd w praktyce najczęściej stosuje się redundancję n+1-elementową. Oczywiście, nadmiarowa liczba jednostek UPS może być większa niż jeden – układy redundantne typu n+2, n+3. Im większa liczba jednostek nadmiarowych, tym większa niezawodność układu, lecz wówczas rosną koszty budowy systemu [1].

praca równoległa zasilaczy

Zasady zasilania oraz wyprowadzenia mocy z UPS-ów w układzie równoległym z redundancją są identyczne jak w klasycznym układzie równoległym. Również sterowanie pracą UPS-ów w normalnym stanie, gdy sprawne są wszystkie jednostki, jest identyczne jak w układzie równoległym. Dopiero przy awarii jednej jednostki UPS zasada sterowania jest nieco inna, gdyż uszkodzona jednostka zostaje całkowicie wyłączona zarówno z pracy, jak i z układu sterowania. Obciążenie przejmują wówczas jednostki sprawne. Jeśli w czasie, gdy jedna jednostka UPS jest już awaryjnie wyłączona, zdarzy się awaria drugiej jednostki, to układ sterowania również całkowicie wyłącza tę jednostkę, a obciążenie przejmują pozostające w pracy jednostki sprawne.

Z uwagi na wspólny system sterowania jednostkami UPS pracującymi równolegle, liczba tych jednostek w układzie jest ograniczona. Producenci UPS stosują różne układy sterowania, stąd różnice w maksymalnej dopuszczalnej liczbie jednostek w układzie równoległym. Najczęściej liczba ta zawiera się w przedziale od 4 do 8 [1].

Ograniczenie liczby jednostek UPS pracujących równolegle wynika również z tego, że rozpływ prądu w pracujących równolegle torach zasilania wewnątrz UPS-ów nie jest równomierny. Niestety nawet przy pozornie identycznych torach pracujących równolegle, rozpływ prądu nie jest równomierny, jedne tory obciążone są bardziej, inne mniej. Wraz ze wzrostem liczby torów równoległych zwiększa się nierównomierność obciążeń. Aby to zminimalizować, wszystkim jednostkom UPS w układzie równoległym należy zapewnić możliwie jednakowe warunki pracy sieciowej. Stąd wymaga się, aby kable do wszystkich zasilaczy UPS były tego samego typu, miały jednakowy przekrój oraz długość. Odnosi się to zarówno do strony zasilania UPS-ów, jak i strony odbiorników.