Dobór zasilacza UPS do trudnych warunków eksploatacji
Układ połączeń zewnętrznych baterii akumulatorów; fot. JT
Zasilacze UPS to urządzenia energoelektroniczne zapewniające bezprzerwową pracę urządzeń wrażliwych na przerwy w zasilaniu, wahania napięcia oraz zakłócenia występujące w sieci zasilającej. Przy projektowaniu danego systemu należy uwzględnić typ zasilacza, biorąc pod uwagę jego niezawodność oraz sposób przyłączenia odbiorników i ich grup. W fazie przygotowania projektu należy wziąć pod uwagę znaczenie poszczególnych odbiorników i wymagany czas podtrzymania zasilania [1, 2]. Praca niektórych z nich może być zakończona bezpośrednio po zaniku zasilania podstawowego. Inne natomiast muszą pracować przez wiele godzin, aby zapewnić bezpieczeństwo obiektu o znaczeniu krytycznym.
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...
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...
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 poprzedniej części przedstawiłem uzasadnienie, że w sytuacji systemów oddymiania, brak zagwarantowania dopływu powietrza powoduje, że system oddymiania jest nieskuteczny, a w sytuacji oddymiania mechanicznego,...
W poprzedniej części przedstawiłem uzasadnienie, że w sytuacji systemów oddymiania, brak zagwarantowania dopływu powietrza powoduje, że system oddymiania jest nieskuteczny, a w sytuacji oddymiania mechanicznego, może doprowadzić do stworzenia poważnego zagrożenia, a nawet do katastrofy budowlanej. Zastosowanie do zasilania napędu bramy UPS-ów bez znaku CNBOP-PIB i Świadectwa Dopuszczenia wydanego przez Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej (CNBOP-PIB) jest poważnym błędem. Stosowanie...
Dodatkowo praca każdego UPS-a powinna być monitorowana [2, 3]. Czasem zdarza się, że zasilacze UPS muszą pracować w temperaturach od –20 do 40˚C. Wówczas przy ujemnych temperaturach spada pojemność akumulatorów i konieczne jest zapewnienie ogrzewania, czego przykładem może być siłownia telekomunikacyjna. Natomiast zbyt wysoka temperatura ogranicza prąd oraz zmniejsza żywotność akumulatorów i konieczne jest zapewnienie wydajnej wentylacji. Innym przykładem zasilaczy, które muszą pracować w ekstremalnych warunkach, są zasilacze UPS stosowane w obiektach jądrowych, które oprócz wysokiej niezawodności muszą być również odporne na wstrząsy wywołane trzęsieniem ziemi lub wybuchem.
|
W artykule:
|
|
Streszczenie W artykule omówiono zastosowanie zasilaczy UPS w trudnych warunkach eksploatacji, takich jak siłownie telekomunikacyjne i obiekt jądrowy. |
|
Abstract Selection of a UPS for Difficult Operating Conditions The article discusses the use of a UPS in difficult operating conditions, such as telecommunications power plants and nuclear facilities. |
Siłownia telekomunikacyjna
Siłownia telekomunikacyjna (STK) o napięciu znamionowym na wyjściu 48 Vdc stanowi źródło napięcia gwarantowanego przeznaczone do zasilania odbiorników stałoprądowych systemów telekomunikacyjnych. Podczas zwarć zachowuje się jak źródło prądowe. Natomiast w czasie normalnej eksploatacji zapewnia dostawę mocy o stałej wartości wymaganej przez zasilane odbiorniki. Podstawowym elementem wyposażenia STK są zasilacze stałoprądowe gwarantujące dostawę mocy zapotrzebowanej przez zasilane odbiorniki oraz baterie akumulatorów stanowiące źródło energii umożliwiające pracę zasilanych odbiorników w przypadku przerwy w dostawie energii elektrycznej z sieci elektroenergetycznej [4].
STK jest zasilana z sieci elektroenergetycznej, w zależności od mocy zapotrzebowanej, napięciem 230 V lub 3×230/40 0V. Układ zasilania STK z sieci elektroenergetycznej należy projektować zgodnie z zasadami projektowania odbiorników przemiennoprądowych. Układ zasilania STK z sieci elektroenergetycznej stanowi końcowy element projektu układu systemu zasilania napięcia gwarantowanego odbiorników przyłączonych do wyjścia siłowni. Dobór STK należy rozpocząć od określenia mocy zapotrzebowanej przez odbiorniki stałoprądowe. Następnie na podstawie kart katalogowych producenta akumulatorów należy przyjąć typ oraz pojemność pojedynczego akumulatora. W kartach katalogowych producent akumulatorów podaje, oprócz podstawowych danych znamionowych i krzywej odcięcia określającej graniczne napięcie rozładowania Uk przy określonym prądzie, również charakterystyki stałoprądowego oraz stałomocowego rozładowania. Więcej szczegółów dotyczących zasilania z siłowni telekomunikacyjnych znajdzie czytelnik w publikacji [4].
Fot. 1. Przykład układu połączeń zewnętrznych baterii akumulatorów na stojaku fot. JT
Zasilanie obiektów jądrowych
Na podstawie art. 36c ust. 3 ustawy z dnia 29 listopada 2000 r. – Prawo atomowe (Dz.U. z 2012 r., poz. 264 i 908) wydane zostało Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 31 sierpnia 2012 r. w sprawie wymagań bezpieczeństwa jądrowego i ochrony radiologicznej, jakie ma uwzględniać projekt obiektu jądrowego (Dz.U. z 2012 r. poz. 1048) [5].
Rozdział 5 tego rozporządzenia dotyczy systemów zasilania elektrycznego obiektu jądrowego, gdzie podane są szczegółowe wymagania. § 93 pkt 1 i 2 mówią, że dla niezawodnego funkcjonowania systemów oraz elementów konstrukcji i wyposażenia obiektu jądrowego mających istotne znaczenie dla zapewnienia bezpieczeństwa jądrowego i ochrony radiologicznej zapewnia się zasilanie elektryczne ze źródeł wewnętrznych obiektu jądrowego i z zewnętrznej sieci elektroenergetycznej. System zasilania elektrycznego ze źródeł wewnętrznych obiektu jądrowego, włączając system awaryjnego zasilania obiektu jądrowego oraz system zasilania elektrycznego z zewnętrznej sieci elektroenergetycznej obiektu jądrowego – w sytuacji, gdy którykolwiek z nich nie działa – dostarcza wystarczającą moc i ilość energii dla zapewnienia bezpieczeństwa jądrowego w stanach eksploatacyjnych, a także podczas i po rozpatrywanej awarii.
Natomiast § 94 stwierdza, że wewnętrzne źródła zasilania elektrycznego obiektu jądrowego, włączając baterie akumulatorów oraz elektryczną sieć rozdzielczą wewnątrz obiektu jądrowego, projektuje się tak, żeby miały one wystarczającą niezależność, zwielokrotnienie (redundancję) i możliwość testowania oraz żeby zapewnić wypełnienie ich funkcji bezpieczeństwa przy założeniu pojedynczego uszkodzenia. Dodatkowo § 95 stwierdza, że dostarczanie energii elektrycznej z zewnętrznej sieci elektroenergetycznej do sieci rozdzielczej wewnątrz obiektu jądrowego realizuje się za pomocą dwóch fizycznie niezależnych obwodów, zaprojektowanych i zlokalizowanych tak, żeby zminimalizować w praktycznie osiągalnym stopniu prawdopodobieństwo ich jednoczesnego uszkodzenia w stanach eksploatacyjnych oraz w warunkach rozpatrywanych awarii i w przewidywanych warunkach środowiskowych.
Dodatkowo § 96 mówi, że rozwiązania projektowe systemów zasilania elektrycznego obiektu jądrowego minimalizują prawdopodobieństwo, że w sytuacji utraty zasilania elektrycznego energią wytwarzaną przez jądrowy blok energetyczny, utraty zasilania z innych źródeł energii elektrycznej na terenie obiektu albo utraty zasilania z zewnętrznej sieci elektroenergetycznej nastąpi w wyniku tego zdarzenia lub jednocześnie z nim utrata zasilania elektrycznego z jakiegokolwiek z pozostałych źródeł zasilania elektrycznego. W § 97–99 podkreślono, że istotne dla zapewnienia bezpieczeństwa jądrowego obiektu jądrowego systemy zasilania elektrycznego projektuje się tak, żeby możliwe było prowadzenie ich okresowych kontroli i prób w celu sprawdzenia dyspozycyjności i wydajności tych systemów oraz stanu technicznego ich elementów. Jądrowy blok energetyczny projektuje się tak, żeby po odłączeniu od sieci przesyłowej był on zdolny do zrzutu obciążenia z dowolnego punktu pracy pomiędzy obciążeniem minimalnym a znamionowym oraz do stabilnego zasilania potrzeb własnych jądrowego bloku energetycznego przez co najmniej 2 godziny.
Źródła awaryjnego zasilania elektrycznego obiektu jądrowego oraz warunki zasilania systemów i elementów wyposażenia istotnych dla zapewnienia bezpieczeństwa jądrowego i ochrony radiologicznej obiektu jądrowego, w szczególności liczbę zasilanych odbiorów i charakterystyki ich zasilania, takie jak: niezawodność, moc, czas trwania i ciągłość zasilania, dobiera się tak, żeby zapewnić niezawodne działanie po wystąpieniu przewidywanych zdarzeń eksploatacyjnych systemów i elementów wyposażenia istotnych dla zapewnienia bezpieczeństwa jądrowego i ochrony radiologicznej. Natomiast w razie utraty zasilania zewnętrznego prądem przemiennym wewnętrzne źródła zasilania elektrycznego obiektu jądrowego prądem przemiennym zapewniają zasilanie systemów i elementów wyposażenia istotnych dla zapewnienia bezpieczeństwa jądrowego i ochrony radiologicznej przez co najmniej siedem dób w stanach eksploatacyjnych oraz podczas i po rozpatrywanych awariach. Baterie akumulatorów zasilających systemy i elementy wyposażenia wypełniające najważniejsze funkcje bezpieczeństwa mają pojemność wystarczającą na co najmniej 4 godziny pracy bez doładowania. W projekcie obiektu jądrowego przewiduje się alternatywne źródła zasilania obiektu prądem przemiennym do wykorzystania w razie niedyspozycyjności wewnętrznych źródeł zasilania, w szczególności przewoźne lub przenośne agregaty prądotwórcze lub kombinowane systemy awaryjnego zasilania elektrycznego obiektu jądrowego.
W § 100 zwrócono uwagę na zastosowanie kombinowanych systemów awaryjnego zasilania elektrycznego obiektu jądrowego, w szczególności z wykorzystaniem hydrozespołów, turbozespołów parowych lub gazowych, agregatów dieslowskich lub baterii akumulatorów, które projektuje się tak, żeby:
posiadały niezawodność i rozwiązania spójne z wymaganiami ze strony systemów bezpieczeństwa, które mają być zasilane;
wykonywały swoje funkcje przy założeniu wystąpienia pojedynczego uszkodzenia. Zawsze jednak należy pamiętać, że rozwiązania przyjęte w projekcie obiektu jądrowego zapewniają możliwość testowania sprawności funkcjonalnej systemów awaryjnego zasilania obiektu jądrowego energią elektryczną.
Rozmieszczenie odbiorników
W zależności od rozmieszczenia odbiorników w obiekcie lub obiektach, należy rozważyć zastosowanie centralnego systemu zasilania z jednym lub kilkoma UPS-ami zasilającymi wszystkie odbiory lub zasilanie rozproszone, tzn. UPS-y o mniejszej mocy zasilają mniejsze grupy odbiorników, najczęściej w ich pobliżu. Optymalny wybór wynika z wymagań niezawodności układu zasilania, naturalnie wynikającego podziału na grupy, z kalkulacji kosztów systemu UPS-a i instalacji zasilającej, możliwości monitoringu i zarządzania [1, 2]. Należy pamiętać, że małe zasilacze UPS nie mają wielu funkcji i zaawansowanych rozwiązań technologicznych, takich jak zasilacze dużej mocy, stąd ich niezawodność może być znacznie obniżona [6].
Podział na grupy
W projekcie systemu zasilania należy uwzględnić znaczenie odbiorników i ich wymagany czas podtrzymania. Jedne odbiory mogą być wyłączone po zaniku zasilania, inne powinny pracować jak najdłużej, a niektóre nie powinny być w ogóle zamknięte. Wyłączenie części odbiorników oszczędza energię zgromadzoną w bateriach, która może być użyta przez odbiory wymagające znacznie dłuższego czasu podtrzymania [1, 2]. Dlatego przy projektowaniu, konfiguracji zasilaczy UPS i doborze baterii należy uwzględnić czas podtrzymania poszczególnych grup odbiorników [6].
Dobór mocy UPS-a
Moc znamionowa UPS-a jest mocą na wyjściu zasilacza, czyli jest to moc, jaką UPS jest w stanie dostarczyć do odbiorników. Moc pobierana przez UPS jest większa o wartość strat, moc potrzebną na doładowanie baterii akumulatorów i zniekształcenia w sieci zasilającej spowodowane przez UPS. Mając koncepcję układu zasilania gwarantowanego można przystąpić do dobrania mocy poszczególnych zasilaczy UPS. Po wyliczeniu mocy zapotrzebowanej przez odbiory należy dobrać moc UPS-a. Ponieważ współczynnik mocy wyjściowej UPS-a jest różny dla różnych konstrukcji, należy uwzględnić zarówno moc pozorną, w [VA], jak i moc czynną, w [W]. Przy doborze mocy zaleca się uwzględnienie potrzeb na przyszłą rozbudowę odbiorników. Zwykle przewymiarowanie wynosi 20% mocy odbiorników. Niektóre zasilacze UPS mają możliwość zwiększenia mocy poprzez aktualizację oprogramowania UPS-a, bez konieczności dokładania dodatkowych elementów systemu. Taka możliwość zapewnia rozbudowę systemu w przyszłości. Należy jednak dobrać kable i inne elementy obwodu zasilania na moc docelową [2, 3]. Dla UPS-ów średniej i dużej mocy moc odbiorników może być pokryta przez zasilacze UPS pracujące równolegle (sumacyjnie).
Dobór baterii akumulatorów do wymaganego czasu podtrzymania
Informacje o czasach podtrzymania można znaleźć w tabelach czasów podtrzymania zamieszczonych w specyfikacjach producenta lub wyliczyć na podstawie parametrów elektrycznych zasilacza UPS. UPS-y mają baterie akumulatorów wewnętrzne (znajdujące się we wspólnej obudowie z elektroniką UPS-a) lub baterie zewnętrzne. W UPS-ach małej mocy baterie zewnętrzne wykonane są w postaci modułów bateryjnych (najczęściej w obudowach dopasowanych do zasilaczy UPS). W większych jednostkach UPS baterie zewnętrzne umieszczane są w zamkniętych szafach fabrycznych lub na otwartych lub zamkniętych stojakach bateryjnych. Większość UPS-ów jednofazowych o małej mocy posiada baterie wewnętrzne, zapewniające pracę 5–10 minut przy pełnym obciążeniu [2, 3].
Należy zwrócić uwagę, że liczba zewnętrznych modułów bateryjnych jest ograniczona wydajnością ładowarki w zasilaczu UPS. Większe pojemności baterii wymagają dłuższego czasu ładowania, przez co UPS nie jest w krótkim czasie gotowy do podjęcia pracy po wcześniejszym rozładowaniu baterii [6].
UPS-y dużej mocy mają najczęściej ładowarki baterii o regulowanym prądzie ładowania. Funkcja ta daje możliwość szybkiego naładowania baterii, a z drugiej strony, może ograniczyć wartość prądu pobieranego z sieci zasilającej (co może okazać się przydatne przy limitach dostępnej mocy lub doborze zabezpieczeń) [2, 3].
Ze względów niezawodnościowych zaleca się stosowanie co najmniej dwóch gałęzi baterii akumulatorów (eliminacja pojedynczego punktu awarii). Niektórzy producenci baterii zalecają stosowanie nie więcej niż 4 gałęzi oraz wymagają stosowania takich samych typów baterii w każdej gałęzi [6].
Podsumowanie
Dla odbiorników o mocy do około 100 kVA wymagających zasilania przy krótkich przerwach rzędu kilkudziesięciu sekund ciekawym rozwiązaniem może być zastosowanie zasilacza UPS z superkondensatorami. Zestawy takie mogą również pracować wiele lat w szerokim zakresie zmian temperatury otoczenia od –40 do +60 °C [6]. Dla większych mocy rozwiązaniem mogą być zespoły prądotwórcze z kinamtycznymi zasobnikiem energii.
Interesującymi rozwiązaniami w zasilaczach VFI są różne tryby „eco”, które zapewniają zwiększenie efektywności energetycznej przy jednoczesnym zapewnieniu niezawodności zasilania. W trybie tym odbiorniki są zasilane przez statyczny tor obejściowy z możliwością przełączenia na podwójną konwersję, w czasie < 2 ms w przypadku jakichkolwiek nieprawidłowości ze strony źródła zasilania. Przy pracy w trybie ekonomicznym, odbiorniki są najczęściej chronione przez zintegrowane zabezpieczenie przeciwprzepięciowe.
Literatura
- T. Sutkowski, Rezerwowe i bezprzerwowe zasilanie w energię elektryczną, COSiW SEP, Warszawa 2007.
- J. Wiatr, M. Orzechowski, Podstawy zasilania budynków mieszkalnych, użyteczności publicznej i innych obiektów nieprzemysłowych w energię elektryczną, Poradnik projektanta elektryka, DW MEDIUM, Warszawa 2012.
- J. Wiatr, M. Miegoń, Zasilanie budynków użyteczności publicznej oraz budynków mieszkalnych w energię elektryczna, niezbędnik elektryka nr 4, Warszawa 2012.
- J. Wiatr, Metodyka doboru mocy siłowni telekomunikacyjnej oraz przewodów zasilających, „elektro.info” 3/2021.
- Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 31 sierpnia 2012 r. w sprawie wymagań bezpieczeństwa jądrowego i ochrony radiologicznej, jakie ma uwzględniać projekt obiektu jądrowego (Dz.U. z 2012r poz.1048).
- K. Kuczyński, Zasilacz UPS – na co zwrócić uwagę dokonując wyboru cz. 2., „elektro.info” 12/2013.
