Dobór mocy źródeł zasilania awaryjnego i gwarantowanego
Metodyka projektowania ochrony przeciwporażeniowej w instalacjach elektrycznych zasilanych z tych źródeł (cz. 1)
W artykule przedstawiono podstawowe zasady doboru mocy zespołu prądotwórczego i zasilacza UPS, pracujących w układach zasilania budynków. Opisano metodykę projektowania ochrony przeciwporażeniowej.
W artykule zostały przedstawione podstawowe zasady doboru mocy zespołu prądotwórczego oraz zasilacza UPS, pracujących w układach zasilania budynków. Opisana została metodyka projektowania ochrony przeciwporażeniowej przez samoczynne wyłączenie oraz sterowanie napięciem dotykowym do wartości dopuszczalnej długotrwale w instalacjach zasilanych z zespołu prądotwórczego, oraz zasilacza UPS. Przedstawiona metodyka jest zgodna z wymaganiami normy PN-HD 60364-4-41:2009 Instalacje eklektyczne niskiego napięcia. Część 4-41: Instalacje dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed porażeniem elektrycznym.
Zobacz także
Impakt SA Nowa rodzina zasilaczy PowerWalker UPS VFI EVS 5 kVA z magazynami energii
Seria PowerWalker VFI EVS to nowa generacja zasilaczy UPS, oferująca długi czas podtrzymania dzięki zastosowaniu baterii LiFePO4 o 40% mniejszej masie i wymiarach w odniesieniu do klasycznych baterii kwasowo-ołowiowych....
Seria PowerWalker VFI EVS to nowa generacja zasilaczy UPS, oferująca długi czas podtrzymania dzięki zastosowaniu baterii LiFePO4 o 40% mniejszej masie i wymiarach w odniesieniu do klasycznych baterii kwasowo-ołowiowych. Zastosowana topologia podwójnej konwersji (VFI-SS-311) gwarantuje najwyższy poziom bezpieczeństwa, a wyspecjalizowane układy utrzymują współczynnik mocy PF na poziomie > 0.99. Oczywiście zależy on od podłączonych urządzeń odbiorczych. Wszelkie informacje o stanie UPS widoczne są na...
Riello Delta Power Sp. z o.o. Projekt przygotowania zespołów prądotwórczych na potrzeby funkcjonowania nowych bloków gazowo-parowych w elektrowni
Firma Riello Delta Power Sp. z o.o. na przełomie lat 2022 i 2023 zrealizowała projekt zabudowy, produkcji, dostarczenia i instalacji dwóch zespołów prądotwórczych na potrzeby funkcjonowania nowych bloków...
Firma Riello Delta Power Sp. z o.o. na przełomie lat 2022 i 2023 zrealizowała projekt zabudowy, produkcji, dostarczenia i instalacji dwóch zespołów prądotwórczych na potrzeby funkcjonowania nowych bloków gazowo-parowych w jednej z kluczowych dla polskiego systemu energetycznego elektrowni w Polsce północno-zachodniej.
mgr inż. Dariusz Zgorzalski, EVER Sp. z o.o. Wybrane aspekty wymagań zasilaczy stosowanych do urządzeń przeciwpożarowych – na przykładzie zasilacza do napędów bram napowietrzających UZS-230V-1kW-1F firmy EVER
W poprzednich częściach dowiodłem, że zasilacze do bram napowietrzających stanowią istotny element systemu wentylacji pożarowej, od strony formalnej muszą posiadać świadectwo dopuszczenia CNBOP-PIB, a...
W poprzednich częściach dowiodłem, że zasilacze do bram napowietrzających stanowią istotny element systemu wentylacji pożarowej, od strony formalnej muszą posiadać świadectwo dopuszczenia CNBOP-PIB, a stosowanie niecertyfikowanych UPSów niesie za sobą ryzyko istotnych konsekwencji. Podkreśliłem, że świadectwo dopuszczenia CNBOP-PIB jest warunkiem koniecznym, ale nie wystarczającym. Kompatybilność funkcjonalna, elektryczna i mechaniczna całego systemu jest podstawą do tego, aby urządzenia działały...
W artykule:• Podstawy prawne oraz normy techniczne regulujace zasady doboru mocy źródeł zasilania awaryjnego i gwarantowanego• Źródła zasilania awaryjnego i gwarantowanego a System Elektroenergetyczny • Dobór mocy zespołu prądotwórczego • Dobór mocy zasilaczy UPS • Tandem UPS - zespół prądotwórczy |
Wymagania dotyczące zasilania budynków zostały ogólnie sprecyzowane w Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z 12 kwietnia 2002 roku w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2015 roku poz. 1422) [1].
Dokument ten skupia się głównie na szczegółowych wymaganiach dotyczących instalacji stanowiących elementy wyposażenia budynków. Znacznie bardziej precyzyjnie wymagania dotyczące zasilania obiektów budowlanych zostały określone w Rozporządzeniu Ministra Łączności z 21 kwietnia 1995 roku w sprawie zasilania energią elektryczną obiektów budowlanych łączności (DzU nr 50/1995, poz. 271) [2].
Rys. 1. Schemat blokowo-ideowy zasilania budynku, gdzie: kategoria III – odbiorniki, dla których długotrwała przerwa w dostawie energii elektrycznej nie spowoduje wystąpienia zagrożenia życia lub powstania dużych strat materialnych, kategoria II – dopuszcza się czas przerwy niezbędny na uruchomienie zespołu prądotwórczego, kategoria I – nie dopuszcza się żadnej przerwy w zasilaniu [źródło: DIN VDE 0100 Errichten von Niederspannungsanlagen - Teil 5-55: Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel - Andere Betriebsmittel - Abschnitt 551: Niederspannungsstromerzeugungseinrichtungen - Anschluss von Stromerzeugungseinrichtungen für den Parallelbetrieb mit anderen Stromquellen einschließlich einem öffentlichen Stromverteilungsnetz]
Posługując się wymaganiami tego dokumentu oraz podziałem odbiorników elektrycznych na kategorie przyjęte w gospodarce energetycznej, można opracować uniwersalny układ zasilania budynku przedstawiony na rys. 1.
Rozbudowany układ zasilania budynków wymagających wysokiej niezawodności dostawy energii elektrycznej jest podyktowany parametrami jakościowymi napięcia zasilającego zdefiniowanymi w normie PN‑EN 50160:2010 Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach elektroenergetycznych [7] oraz wymogami Rozporządzenia Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 roku w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego (DzU nr 93/2007, poz. 623) [3].
Żaden z tych dokumentów nie gwarantuje zapewnienia wysokiej niezawodności dostaw energii z Systemu Elektroenergetycznego, przez co wymaga się instalowania w układzie zasilania dodatkowych źródeł poprawiających niezawodność dostaw energii elektrycznej.
Źródła zasilania awaryjnego i gwarantowanego a System Elektroenergetyczny
Jednym z najważniejszych parametrów opisujących źródło zasilania jest moc zwarciowa:
gdzie:
Un – napięcie nominalne, w [kV],
Ik” – początkowy prąd zwarciowy, w [kA],
ZkQ – impedancja źródła zasilania widziana z miejsca wystąpienia zwarcia, w [Ω],
cmax – współczynnik korekcyjny siły elektromotorycznej zasilającej obwód zwarciowy (c = 1 dla U = 3x230/400 V; c = 1,05 dla nn innej wartości niż 3x230/400 V; c = 1,1 dla U > 1 kV).
Rys. 2. Porównanie mocy zwarciowych SEE oraz zespołu prądotwórczego pracującego w układzie zasilania awaryjnego; rys. J. Wiatr
Parametr ten nie posiada sensu fizycznego, ale pozwala na obliczenie pozostałych parametrów obwodu zwarciowego w dowolnym punkcie obwodu elektrycznego, które mają sens fizyczny.
System Elektroenergetyczny ma moc zwarciową bardzo dużą (średnia wartość na szynach SN GPZ-tu wynosi: S”kQ = 160–250 MVA), ze względu na zasilanie go przez wiele generatorów pracujących na zamknięty układ, co symbolicznie przedstawia rys. 2. Na tym samym rysunku został przedstawiony pojedynczy generator nn, pracujący w układzie zasilania awaryjnego.
Z porównania obydwu źródeł wynika, że generator zespołu prądotwórczego ma moc zwarciową ograniczoną, której wartość zależy od mocy znamionowej zespołu prądotwórczego. Wartości mocy zwarciowych wybranych zespołów prądotwórczych przedstawia tab. 1.
Przedstawione wartości wskazują, że przy doborze mocy zespołu prądotwórczego lub innego źródła zasilania pracującego w układzie wsypowym, jaki powstaje w przypadku zasilania w stanie awaryjnym, należy uwzględnić zwiększone zapotrzebowanie mocy występujące przy rozruchu silników, zasilaniu odbiorników nieliniowych oraz innych podobnych obciążeń, których nie uwzględnia się przy zasilaniu z SEE. Stan ten jest podyktowany małą wartością mocy zwarciowej źródeł zasilania awaryjnego lub gwarantowanego.
Dobór mocy zespołu prądotwórczego
Za podstawę doboru mocy zespołu prądotwórczego należy przyjąć wartość mocy czynnej zapotrzebowanej oraz mocy biernej zapotrzebowanej przez odbiorniki, które mają zostać objęte systemem zasilania awaryjnego.
Moc czynną zapotrzebowaną należy wyznaczyć z następującego wzoru:
gdzie:
PZ – moc czynna zapotrzebowana czynna, w [kW],
kZ – współczynnik zapotrzebowania, w [-],
Pi – moc czynna i-tego odbiornika objętego systemem zasilania awaryjnego, w [kW].
Kolejnym krokiem jest obliczenie mocy biernej zapotrzebowanej, którą należy wyznaczyć w następujący sposób:
gdzie:
QZ – moc bierna zapotrzebowana, w [kvar],
cos φi – współczynnik mocy i-tego odbiornika objętego systemem zasilania gwarantowanego, w [-].
Na podstawie obliczonej wartości mocy czynnej zapotrzebowanej oraz mocy biernej zapotrzebowanej należy obliczyć współczynnik mocy cos φz:
gdzie:
cos φz – współczynnik mocy obliczony na podstawie mocy czynnej zapotrzebowanej oraz mocy biernej zapotrzebowanej, w [-].
Kolejnym krokiem jest obliczenie minimalnej mocy czynnej, jaką musi dysponować generator zespołu prądotwórczego. Wyznaczenie mocy pozornej na podstawie mocy czynnej zapotrzebowanej oraz mocy biernej zapotrzebowanej ze wzoru:
może prowadzić do błędnych wyników.
Ponieważ generator zespołu prądotwórczego musi pokryć zapotrzebowanie mocy czynnej PZ oraz mocy biernej QZ, w przypadku gdy generator wytwarza energię przy współczynniku mocy cos φz < cos φnG, zmniejsza się zdolność wykorzystania mocy czynnej generatora ze względu na obciążalność cieplną stojana.
Silnik spalinowy napędzający generator jest dostosowany do mocy czynnej generatora, czyli do pracy generatora przy znamionowym współczynniku mocy cos φnG. W przypadku wytwarzania energii elektrycznej przy współczynniku cos φz < cos φnG następuje zmniejszenie jego wykorzystania.
Względne obciążenie generatora mocą czynną można określić współczynnikiem wykorzystania, który należy obliczyć ze wzoru:
Wymagana minimalna moc czynna zespołu prądotwórczego musi spełniać następującą nierówność:
Obliczony ze wzoru (6) współczynnik wykorzystania p należy podstawić do wzoru (7).
W przypadku gdy p ≥ 1, do wzoru (7) należy wstawić wartość 1. Wartość współczynnika mocy cos φnG należy przyjąć zgodnie z DTR zespołu prądotwórczego.
W przypadku braku informacji w tym zakresie można przyjmować cos φnG = 0,8.
Moc pozorna zespołu prądotwórczego musi spełniać następującą nierówność:
gdzie:
PGmin – minimalna mocy czynna, jaką musi pokryć generator zespołu prądotwórczego, w [kW].
Mała wartość współczynnika mocy cos φz powoduje zmniejszenie siły elektromotorycznej generatora wskutek rozmagnesowującego działania składowej biernej prądu obciążenia.
Jeżeli generator oddaje większą moc bierną niż znamionowa, ze względu na konieczność utrzymania napięcia znamionowego i nie przeciążanie wirnika należy zmniejszyć moc czynną obciążenia.
W dopuszczalnych dla prądów wirnika granicach automatyka zespołu prądotwórczego reguluje wartość prądu wzbudzenia utrzymując na stałym poziomie wartość napięcia wyjściowego generatora. Zatem wytwarzanie energii elektrycznej przez generator zespołu prądotwórczego przy współczynniku mocy cos φz < cos φnG skutkuje koniecznością zwiększenia jego mocy pozornej do wartości umożliwiającej pełne pokrycie mocy czynnej zapotrzebowanej PZ oraz mocy biernej zapotrzebowanej QZ.
Wprowadzanie układów kompensacji mocy biernej (szczególnie indukcyjnej) jest niewskazane ze względu na charakter pracy źródła zasilającego i w konsekwencji może doprowadzić do przedwczesnego zniszczenia kondensatorów.
Natomiast gdy zespół prądotwórczy zasila odbiorniki nieliniowe, powstają zniekształcenia prądu pobieranego ze źródła. Zniekształcenia te powodują pojawianie się w sieci zasilającej oraz instalacji odbiorczej harmonicznych, interharmonicznych i subharmonicznych, które na ogół nie są w fazie z napięciem.
Zjawisko wyższych harmonicznych powoduje, że oprócz mocy czynnej i biernej pojawia się moc deformacji V, co oznacza, że moc pozorna nie może być określona jako iloczyn prądu i napięcia podstawowej harmonicznej.
Wartość mocy deformacji V zależy od stopnia odkształcenia przebiegów napięcia i prądów, czyli od zawartości wyższych harmonicznych, a w układach wielofazowych również od stopnia asymetrii.
W przypadku obciążeń asymetrycznych współczynnik mocy cosj nie jest jednakowy dla poszczególnych faz. W każdej fazie jego wartość może być różna i uzależniona od wartości mocy czynnej i biernej obciążającej fazę.
Niepożądanym skutkiem niesymetrycznego obciążenia jest wzrost wartości napięcia ponad wartość znamionową w fazie najmniej obciążonej.
Oszacowanie wartości mocy deformacji powodowanej niesymetrycznym obciążeniem jest dość trudne, zatem zgodnie z zaleceniami producentów zespołów prądotwórczych podczas projektowania układu zasilania awaryjnego należy zadbać, by przy zasilaniu odbiorników przez zespół prądotwórczy asymetria obciążenia nie przekraczała 20%.
Moc pozorną zapotrzebowaną przez odbiornik nieliniowy należy określić wzorem:
Moc czynna przebiegu odkształconego jest sumą mocy czynnych harmonicznych napięcia i prądu o tej samej częstotliwości, czyli:
Natomiast moc bierną przebiegu odkształconego obliczamy z powszechnie akceptowalnego wzoru:
Natomiast, moc pozorna obwodu liniowego jest określona następującym wzorem:
W tym przypadku moc deformacji V = 0.
Ilustrację graficzną mocy P, Q, V, S1 i S przedstawia rys. 3.
Rysunek 3. wyjaśnia również, że dla obwodów nieliniowych współczynnik mocy nie może zostać określony wzorem (13), który jest słuszny dla obwodów liniowych:
W obwodach nieliniowych współczynnik mocy jest definiowany jako (rys. 3.):
gdzie:
φk – przesunięcie fazowe pomiędzy napięciem i prądem dla harmonicznej rzędu k,
Prąd znamionowy urządzenia trójfazowego pobierającego prąd odkształcony należy wyrazić poniższym wzorem:
Z równań (14) oraz (15) wynika, że przy ustalonej wartości prądu znamionowego In urządzenia i wzroście odkształcenia prądu rzeczywiście przepływającego przez to urządzenie zmniejsza się moc znamionowa czynna, którą można je obciążyć.
Zatem odbiorniki nieliniowe pobierające prąd zniekształcony z generatora powodują zmniejszenie możliwości wykorzystania mocy czynnej generatora zespołu prądotwórczego W celu pokrycia mocy zapotrzebowanej przez te odbiorniki moc generatora musi ulec zwiększeniu.
Minimalną moc czynną generatora niezbędną do pokrycia mocy zapotrzebowanej przez te odbiorniki należy wyznaczyć ze wzoru:
gdzie:
p – współczynnik wykorzystania określony wzorem (6), w [-],
Pz – moc czynna zapotrzebowana przez odbiorniki objęte systemem zasilania awaryjnego, w [kW],
PGmin – wymagana minimalna moc czynna generatora zespołu prądotwórczego, w [kW],
– współczynnik zniekształcenia, w [-], w którym:
THDi% – współczynnik odkształcenia prądu, w [-].
Natomiast moc zespołu prądotwórczego określamy zgodnie ze wzorem (8).
Wartość współczynnika THDi% zawartości harmonicznych w odkształconym przebiegu prądu, należy wyznaczyć ze wzoru:
gdzie:
Ik – wartość skuteczna k-tej harmonicznej prądu, w [A],
I1 – wartość skuteczna harmonicznej podstawowej prądu, w [A],
k – rząd harmonicznej, w [-].
Przykładowe wartości współczynnika W, w zależności od wartości współczynnika THDi%, przedstawia tab. 2.
Wraz ze wzrostem współczynnika THDi% maleje współczynnik zniekształceń W, a zatem moc generatora niezbędna do pokrycia mocy zapotrzebowanej ulega zwiększeniu.
Podobne problemy powstają przy zasilaniu silników elektrycznych, gdzie przy rozruchu jest pobierany kilkukrotnie większy prąd niż podczas pracy w stanie ustalonym.
Skutkuje to znacznie większym poborem mocy, który musi być pokryty przez generator zespołu prądotwórczego. Charakterystykę rozruchu silnika indukcyjnego przedstawia rys. 4.
Dla pojedynczego silnika, przy współczynniku rozruchu kr, moc zespołu prądotwórczego musi spełniać warunek:
gdzie:
In – prąd znamionowy silnika, w [A],
kr – współczynnik rozruchu silnika, w [-],
cos φn – znamionowy współczynnik mocy silnika, w [-],
cos φr – współczynnik mocy silnika podczas rozruchu (0,1-0,4), w [-],
η – sprawność silnika, w [-].
Podobne postępowanie należy przyjąć przy zasilaniu grupy silników. Korzystnie jest w takim przypadku realizować rozruch sekwencyjny, a w przypadku silników o dużej mocy dodatkowo rozruch z wykorzystaniem przełącznika gwiazda/trójkąt.
Nie należy stosować softstartu do rozruchu silników przy zasilaniu z generatora zespołu prądotwórczego. Układy softstartu są niekompatybilne z automatyką zespołu prądotwórczego przez co rozruch silnika z wykorzystaniem tych urządzeń będzie niemożliwy.
Należy dobrać moc zespołu tak, by generator dysponował mocą niezbędną do wykonania rozruchu silnika, kiedy występuje zwiększony pobór mocy w stosunku do warunków powstających w stanie ustalonym.
Dobór mocy zasilaczy UPS
Podstawą doboru mocy zasilacza UPS jest moc czynna i bierna zapotrzebowana przez odbiorniki, które mogą być zasilane z dobieranego zasilacza UPS. Moc czynną zapotrzebowaną należy wyznaczyć ze wzoru (2), natomiast moc bierną zapotrzebowaną należy obliczyć ze wzoru (3).
Kolejnym krokiem jest obliczenie minimalnej mocy pozornej na podstawie mocy czynnej zapotrzebowanej oraz mocy biernej zapotrzebowanej ze wzoru (18) (określona zgodnie za wzorem (18) moc pozorna dotyczy mocy UPS-a, która jest podawana w katalogach producentów):
W przypadku gdy systemem zasilania gwarantowanego zostaną objęte silniki, zasilacz UPS musi zapewnić pokrycie zwiększonego zapotrzebowania mocy wynikającego z rozruchu zasilanych silników.
W przypadku zasilania odbiorników nieliniowych wyznaczenie mocy czynnej zapotrzebowanej należy obliczyć z poniższego wzoru:
Uwzględnienie prądów rozruchowych oraz odkształconych przy doborze mocy zasilacza UPS jest niezbędne dla jego poprawnego funkcjonowania.
UPS o zbyt małej mocy przeznaczony do zasilania odbiorników nieliniowych lub silników elektrycznych przy wzroście obciążenia automatycznie przejdzie na bypass zewnętrzny, co skutkowało będzie pozbawieniem układu zasilania funkcji napięcia gwarantowanego.
Przy doborze zasilacza UPS należy również zwrócić uwagę na znamionowy współczynnik szczytu, który określa, ile może zostać przekroczona chwilowa wartość szczytowa prądu w stosunku do rzeczywistej wartości skutecznej tego prądu.
W produkowanych obecnie zasilaczach UPS współczynnik szczytu wynosi na ogół 3. Jeżeli wartość współczynnika szczytu w przebiegu prądu pobieranego z UPS przekroczy wartość znamionowego współczynnika szczytu, to mogą wystąpić zakłócenia w pracy zasilacza łącznie z jego wyłączeniem.
Uwaga! |
Moc zasilacza UPS podawana w kartach katalogowych dotyczy wyjścia. Moc wejściowa zasilacza nie jest równa mocy wyjściowej. Zasilacz pobiera z sieci moc większą niż oddaje zasilanym odbiornikom. Podczas projektowania układów zasilania UPS należy uwzględnić ten problem. Dobierając moc zasilacza UPS na podstawie mocy czynnej zapotrzebowanej Pz należy przyjmować 25% rezerwy w celu skompensowania chwilowego wzrostu mocy lub ewentualnych błędów jej oszacowania. |
Ponieważ zasilacz UPS musi pokryć zapotrzebowanie mocy czynnej PZ oraz mocy biernej QZ, w przypadku gdy UPS konwertuje energię przy współczynniku mocy cos φZ < cos φnG, zmniejsza się zdolność wykorzystania mocy czynnej UPS ze względu na możliwości przełączeniowe układu półprzewodnikowego falownika.
Falownik zasilacza UPS zasilający odbiorniki ma ograniczenia wydajności mocy czynnej związanej z kształtowaniem przebiegu napięcia przy poborze prądu odbiorników zarówno o charakterze pojemnościowym, jak i indukcyjnym, czyli cos φnUPS, zatem w przypadku wytwarzania energii elektrycznej przy współczynniku cos φZ < cos φnG skutkuje zmniejszeniem jego wykorzystania.
Względne obciążenie zasilacza UPS mocą czynną można określić współczynnikiem wykorzystania, który należy obliczyć ze wzoru:
Wymagana minimalna moc czynna zasilacza UPS musi spełniać następującą nierówność:
Obliczony ze wzoru (20) współczynnik wykorzystania p należy podstawić do wzoru (21). W przypadku gdy p ≥ 1, do wzoru (22) należy wstawić wartość 1. Wartość współczynnika mocy cos φnUPS należy przyjąć zgodnie z DTR zasilacza UPS.
W przypadku braku informacji w tym zakresie można przyjmować cos φnUPS = 0,8 dla zasilaczy UPS o konstrukcji transformatorowej lub cos φnUPS = 0,9 dla zasilaczy beztransformatorowych z falownikiem IGBT. Moc pozorna zasilacza UPS musi spełniać następującą nierówność:
gdzie:
PUPSmin – minimalna mocy czynna, jaką musi pokryć generator zespołu prądotwórczego, w [kW],
cos φnUPS – znamionowy współczynnik mocy zasilacza UPS, w [-] (wartość cos φnUPS należy przyjmować na podstawie DTR producenta UPS; w przypadku braku danych można przyjmować wartość 0,8).
Mała wartość współczynnika mocy cos φZ powoduje przeciążenie falownika, a w konsekwencji może doprowadzić do jego wyłączenia lub przełączenia zasilacza UPS na wewnętrzny tor obejściowy.
Jeżeli zasilacz UPS oddaje większą moc bierną niż znamionowa, ze względu na konieczność utrzymania napięcia znamionowego i nieprzeciążanie falownika należy zmniejszyć moc czynną obciążenia. Zatem wytwarzanie energii elektrycznej przez zasilacz UPS przy współczynniku mocy cos φZ < cos φnUPS skutkuje koniecznością zwiększenia jego mocy do wartości umożliwiającej pełne pokrycie mocy czynnej zapotrzebowanej PZ oraz mocy biernej zapotrzebowanej QZ.
Wprowadzanie układów kompensacji mocy biernej (szczególnie indukcyjnej) jest niewskazane ze względu na charakter pracy źródła zasilającego i w konsekwencji może doprowadzić do przedwczesnego zniszczenia kondensatorów.
W przypadku gdy zasilacz służy do zasilania urządzeń z dużym prądem rozruchowych, za podstawę doboru mocy należy przyjmować prądy rozruchowe tych urządzeń, które nie mogą przekraczać wartości prądu znamionowego zasilacza UPS z uwzględnieniem jego chwilowego przeciążenia określonego w DTR producenta.
W przypadku gdy zasilacz UPS zasila odbiorniki nieliniowe, powstają zniekształcenia prądu pobieranego ze źródła. Zniekształcenia te powodują pojawianie się w sieci zasilającej oraz instalacji odbiorczej harmonicznych, interharmonicznych i subharmonicznych, które na ogół nie są w fazie z napięciem.
Zjawisko wyższych harmonicznych powoduje, że oprócz mocy czynnej i biernej pojawia się moc deformacji V, co oznacza, że moc pozorna nie może być określona jako iloczyn prądu i napięcia podstawowej harmonicznej.
Wartość mocy deformacji V zależy od stopnia odkształcenia przebiegów napięcia i prądów, czyli od zawartości wyższych harmonicznych, a w układach wielofazowych również od stopnia asymetrii.
W przypadku obciążeń asymetrycznych współczynnik mocy cos φ nie jest jednakowy dla poszczególnych faz. W każdej fazie jego wartość może być różna i uzależniona od wartości mocy czynnej i biernej obciążającej fazę.
Oszacowanie wartości mocy deformacji powodowanej niesymetrycznym obciążeniem jest dość trudne, jednak współczesne zasilacze UPS beztransformatorowe z falownikiem wykonanym w technologii IGBT są odporne na niesymetrię obciążenia wyjściowego.
Tandem UPS – zespół prądotwórczy
W celu uzyskania większej niezawodności do systemu zasilania gwarantowanego wprowadza się dodatkowe źródła zasilania awaryjnego, tj. zespół prądotwórczy. Taki układ daje bardzo duże bezpieczeństwo i pewność, że w razie awarii systemu zasilania podstawowego urządzenia o znaczeniu krytycznym będą zasilane bez przerw, co uchroni odbiorców od wielu, niejednokrotnie poważnych strat, a tym samym strat spowodowanych przerwami w dostawie energii elektrycznej.
Zasilacz UPS powinien być dobierany do oszacowanej mocy odbiorników.
Należy pamiętać, by sumaryczna moc odbiorników nie przekraczała ani wyjściowej mocy czynnej, ani wyjściowej mocy pozornej zasilacza.
Wskazane jest niewielkie przewymiarowanie zasilacza (10–20%), które stanowiłoby rezerwę na okresowy wzrost lub błędy w szacowaniu mocy odbiorników.
Rys. 5. Parametry zasilacza UPS niezbędne do oszacowania mocy przez niego zapotrzebowanej; rys. J. Wiatr
UPS przeznaczony do współpracy z zespołem prądotwórczym powinien stanowić barierę między odbiorami a zespołem. Chodzi o maksymalne wyeliminowanie wpływu na zespół odkształconych prądów pobieranych przez odbiory nieliniowe (np. urządzenia komputerowe).
Powinien to być UPS, który nie wiąże kształtu prądu wejściowego z kształtem prądu pobieranego przez odbiory.
Podstawowe parametry zasilacza UPS, niezbędne do oszacowania mocy przez niego zapotrzebowanej, przedstawia rys. 5.
Zespół prądotwórczy powinien bezpiecznie pokrywać zapotrzebowanie mocy wejściowej zasilacza UPS i odbiorników kategorii II. Jego moc jest sumą mocy pobieranej przez UPS w stanie pełnego obciążenia i mocy odbiorników kategorii II.
gdzie:
PwejUPS – moc wejściowa zasilacza UPS, w [kW],
PII Z – moc czynna odbiorników kategorii II, w [kW].
Moc wejściową zasilacza UPS obliczamy korzystając z zależności:
gdzie:
PUPSwy – wyjściowa moc czynna dysponowana przez zasilacz UPS, w [kW],
η – sprawność zasilacza UPS, w [-],
W – współczynnik przewymiarowania agregatu biorący pod uwagę między innymi odkształcenie prądu wejściowego zasilacza UPS,
PB – dodatkowa moc wejściowa zasilacza związana z ładowaniem baterii (co najmniej 25% mocy znamionowej zasilacza), w [kW].
Jeżeli zasilacz UPS ma możliwość rozbudowy (zwiększenie mocy wyjściowej przewidziane w konstrukcji urządzenia), należy brać pod uwagę największą moc wyjściową zasilacza.
Uwaga! |
W przypadku zastosowania zespołu prądotwórczego wyposażonego w generator przystosowany do obciążeń nieliniowych, stopień przewymiarowania zespołu może być mniejszy, jednak powinien być uzgodniony z producentem lub dostawcą. |
Zalecane jest też stosowanie zasilaczy wyposażonych w specjalny interfejs do współpracy z zespołem prądotwórczym, pozwalający aktywnie ograniczyć prąd wejściowy przez zablokowanie funkcji ładowania baterii do chwili powrotu napięcia w sieci. Wówczas można zrezygnować z 25-procentowej nadwyżki mocy zespołu, niezbędnej do ewentualnego ładowania baterii.
Do współpracy z zespołem prądotwórczym zaleca się stosowanie zasilaczy UPS wyposażonych w filtr redukujący zawartość harmonicznych w prądzie wejściowym do poziomu około 10% (głębsza redukcja jest bezcelowa, nie wpływa znacząco na poprawę charakterystyki współpracy zasilacza z generatorem zespołu prądotwórczego, nie jest więc uzasadniona ekonomicznie).
Nie powinno się stosować innych topologii zasilaczy niż online, gdyż tylko taka gwarantuje, że poprawność współpracy zasilacza UPS z zespołem prądotwórczym nie zachwieje się w wyniku zmiany charakterystyki odbiorników.
Zalecane jest stosowanie zespołów prądotwórczych wyposażonych w elektroniczne regulatory prędkości obrotowej, z nowoczesnymi prądnicami przystosowanymi do nieliniowych obciążeń. Generalnie poleca się stosowanie urządzeń sprawdzonych we współpracy i zapewniających stabilność zasilania w każdych warunkach.
Literatura
- Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z 12 kwietnia 2002 roku w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2015 roku poz.1422)
- Rozporządzenie Ministra Łączności z 21 kwietnia 1995 roku w sprawie zasilania energią elektryczną obiektów budowlanych łączności (DzU Nr 50/1995 poz. 271)
- Rozporządzenia Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 roku w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego (Dz. U. Nr 93/2007 poz. 623)
- PN-ISO 8528-5 Zespoły prądotwórcze napędzane silnikiem spalinowym tłokowym. Zespoły prądotwórcze.
- PN HD 60364-4-41:2009 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-41. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed porażeniem elektrycznym.
- N SEP-E 001 Sieci elektroenergetyczne niskiego napięcia. Ochrona przeciwporażeniowa.
- PN-EN 50160:2010 Parametry jakościowe napięcia w publicznych sieciach rozdzielczych.
- N SEP-E 005 Dobór przewodów elektrycznych do zasilania urządzeń, których funkcjonowanie jest niezbędne w czasie pożaru.
- DIN 14686:2010-05 Feuerwehrwesen-Schaltschränke für fest eingebaute Stromerzeuger (Generatorsätze) ≥ 12 kVA für den Einsatz Feuerwehrfahrzugen
- DIN 14686:2007-02 Feuerwehrwesen-Fest eingebaute Stromerzeugerkleiner 12 kVA für den Einsatz Feurewehrfahrzugen.
- DIN VDE 0100 Errichten von Niederspannungsanlagen - Teil 5-55: Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel - Andere Betriebsmittel - Abschnitt 551: Niederspannungsstromerzeugungseinrichtungen - Anschluss von Stromerzeugungseinrichtungen für den Parallelbetrieb mit anderen Stromquellen einschließlich einem öffentlichen Stromverteilungsnetz.
- J. Wiatr; M. Orzechowski – Poradnik projektanta elektryka – DW Medium 2012 wydanie V
- J. Wiatr – Zespoły prądotwórcze w układach zasilania awaryjnego – DW Medium 2008
- R. Kacejko; J. Machowski – Zwarcia w systemach elektroenergetycznych – WNT 2001
- praca zbiorowa pod redakcją J. Wiatr – Poradnik Projektanta systemów zasilania awaryjnego i gwarantowanego – EATON POWER QUALITY 2008
- J. Wiatr; M. Miegoń – Zasilacze UPS i baterie akumulatorów w układach zasilania gwarantowanego –DW Medium 2008
- T. Sutkowski – Rezerwowe i bezprzerwowe zasilanie w energię elektryczną. Urządzenia i układy – COS i W SEP 2007
- L. Danielski; R. Zacirka – Badanie ochrony przeciwporażeniowej w obiektach z przemiennikami częstotliwości – elektro.info nr 12/2005
- E. Musiał – Ochrona przeciwporażeniowa w instalacjach zasilanych z zespołów prądotwórczych– inpe nr 170-171 listopad-grudzień 2013 r.