Zasilacze UPS z podwójną konwersją
Double Conversion UPS
Rys. Przykładowy uproszczony schemat zasilacza UPS typu „Delta” [4]
Anomalie pogodowe coraz częściej są przyczyną zaników napięcia i przerw w zasilaniu. Niestety, błędnie pojmowana ochrona przyrody powoduje, że drzewa rosnące pod linią napowietrzną lub w jej pobliżu nie są poddawane zabiegom pielęgnacyjnym – przycięciu gałęzi, które mogą uszkodzić linię napowietrzną.
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:
|
Oddziałujące zaburzenia bądź przerwy w zasilaniu odbiorników mogą powodować utratę przetwarzanych danych, uszkodzenie urządzeń, przegrzewanie się systemów z uwagi na wyłączenie klimatyzacji, a w konsekwencji ich natychmiastowe zatrzymanie lub uszkodzenie. Zabezpieczeniem przed tego typu zjawiskami jest zastosowanie systemów zasilania gwarantowanego, w tym zasilaczy UPS. W przypadku wystąpienia zaburzeń w sieci bądź przerw w dostarczaniu energii elektrycznej umożliwiają one podtrzymanie zasilania wrażliwych odbiorników w określonym czasie [1, 3]. Dobierając zasilacz UPS do konkretnego przypadku warto dokładnie przeanalizować kilka istotnych kwestii, które mogą decydować o właściwym doborze i długoletnim zadowoleniu jego użytkownika.
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. Właściwy wybór wynika z wymagań niezawodności układu zasilania, naturalnie wynikającego podziału na grupy, z kalkulacji kosztów systemu zasilania gwarantowanego i instalacji zasilającej [1, 2, 3]. 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. Dlatego przy projektowaniu, doborze konfiguracji zasilaczy UPS i baterii należy uwzględnić czas podtrzymania poszczególnych grup odbiorników. Należy pamiętać o właściwym doborze: układu połączeń odbiorników lub ich grupy, urządzeń do dystrybucji zasilania i tory obejściowe, a także przeanalizować sytuacje awaryjne, okresowe wyłączenia urządzeń do przeglądów i konserwacji oraz określić najsłabsze punkty systemu zasilania. Na podstawie uzyskanych od producentów danych należy również wyliczyć niezawodność projektowanego systemu.
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. Innym rozwiązaniem są zasilacze modułowe, które można rozbudowywać stopniowo poprzez dokładanie kolejnych modułów mocy i bateryjnych. Taka możliwość zapewnia rozbudowę systemu w przyszłości nawet kilkukrotnie. 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 sumę mocy UPS-ów pracujących równolegle (sumacyjnie).
Topologia wykonania
Topologia off-line (VFD) charakteryzuje się tym, że UPS pracuje normalnie z sieci filtrując napięcie wejściowe, napięcie i częstotliwość wyjściowa nie są regulowane, tzn. ich parametry są takie jak sieci zasilającej. Po przekroczeniu parametrów zakresu napięcia wejściowego lub częstotliwości, następuje przełączenie na pracę bateryjną w czasie kilku milisekund. UPS zasila odbiory do czasu rozładowania baterii lub powrotu napięcia zasilającego do akceptowalnych parametrów [1, 2, 3].
O topologii line-interactive (VI) mówimy wówczas, gdy UPS pracuje normalnie z sieci o niezależnej częstotliwości (jak częstotliwość sieci) i regulowanej wartości napięcia w zadanym przedziale bez wykorzystania energii z baterii akumulatorów. Gdy napięcie i częstotliwość sieci znajdą się poza zadaną tolerancją, następuje przełączenie na pracę z baterii, tak jak ma to miejsce w zasilaczach off-line. Generalnie różnica pomiędzy VFD i VI polega na możliwości regulacji wartości napięcia zasilającego w czasie pracy normalnej [1, 2, 3].
Topologia on-line (FVI) – UPS w czasie pracy normalnej dwukrotnie konwertuje energię ac/dc i dc/ac, na wyjściu UPS-a dostarczane jest zasilanie o stabilnych parametrach napięcia i częstotliwości. Gdy zasilanie sieciowe nie spełnia warunków dopuszczalnych przez UPS (napięcie, częstotliwość) następuje przełączenie na pracę z baterii, przy czym na wyjściu zasilacza UPS nie występuje przerwa w zasilaniu. Zmiana trybu pracy odbywa się w zerowym czasie [1, 2, 3]. Topologia on-line stanowi najlepsze rozwiązanie zarówno dla odbiorników IT, przemysłowych, jak i innych wymagających zastosowań.
Układy typu „Delta” (VI)
Układy UPS typu „Delta” są stosunkowo nowym rozwiązaniem, które zostało wprowadzone w celu wyeliminowania niektórych wad topologii z podwójnym przetwarzaniem. Podobnie jak w układach z podwójnym przetwarzaniem, przekształtnik jest cały czas włączony i dostarcza moc do odbiorników, jednak jest to tylko część mocy niezbędna do uzyskania właściwych parametrów napięcia wyjściowego, tzw. moc regulacji [4].
Pozostała moc, znacznie większa od mocy regulacji, w czasie normalnej pracy jest przekazywana bezpośrednio z sieci zasilającej bez konieczności przetwarzaniaac/dc/ac. Właściwość ta jest podstawową zaletą przetwarzania typu „Delta”, która pozwala na uzyskiwanie znacznie większych sprawności w czasie normalnej pracy. Wadą natomiast jest, w stosunku do układów o podwójnym przetwarzaniu, brak możliwości regulacji częstotliwości. Konfiguracja „Delta” umożliwia również bardzo efektywne ograniczanie zniekształceń harmonicznych prądów pobieranych z sieci zasilającej, co pozwala na uzyskiwanie przebiegów zbliżonych do sinusoidalnych oraz współczynnika mocy zbliżonego do 1, który zależy od podłączonych odbiorników. Rozwiązania typu „Delta” są obecnie coraz powszechniej stosowane w bardzo szerokim zakresie mocy znamionowych od kilku kVA do kilku MVA [4].
Przykładowy sposób realizacji UPS typu „Delta” z transformatorem sprzęgającym przedstawiono na rysunku 1.
Przekształtnik główny o mocy równej mocy znamionowej UPS-a oraz przekształtnik „Delta” o mocy zazwyczaj około 30% mocy znamionowej współpracują z baterią akumulatorów, umożliwiając dwukierunkowy przepływ energii [4].
Przekształtnik „Delta” jest podłączony do uzwojenia pierwotnego transformatora, którego uzwojenie wtórne jest włączone szeregowo w obwodzie zasilania sieciowego. Układ regulacji poprzez przekształtnik główny utrzymuje na wyjściu zadaną amplitudę i kształt napięcia, zatem napięcie na uzwojeniu szeregowym transformatora powinno być równe różnicy napięcia chwilowego pomiędzy napięciem zasilania a wyjściowym. Zadaniem przekształtnika „Delta” jest wytworzenie takiego prądu w zasilanym pierwotnym uzwojeniu transformatora, aby uzyskać wymaganą różnicę napięć. Dodatkową rolą przekształtnika „Delta” jest również takie oddziaływanie poprzez transformator sprzęgający, aby uzyskać pożądaną kompensację zniekształceń harmonicznych oraz współczynnika mocy prądu pobieranego z sieci zasilającej, czyli uzyskanie sinusoidalnego kształtu prądu będącego w fazie z napięciem [4].
Układy typu „off-line – on-line” (VFI)
Układy o topologii mieszanej (rys. 2.) są stosowane w UPS o mocach znamionowych do 10 kVA, które są często nazywane jako „online”, pomimo że przekształtnik dc/dc przetwarzający napięcie z baterii akumulatorów do poziomu napięcia wyprostowanego sieci zasilającej pracuje w trybie „off-line”.
Zastosowanie natomiast diodowego układu przełączania źródła energii sieć/akumulator pozwala na odpowiednio wczesne wykrycie zaniku zasilania sieciowego oraz całkowicie bezprzerwowe przejście w tryb zasilania akumulatorowego. Można zatem zgodzić się z zaliczeniem tego rozwiązania do klasy „on-line” w sensie funkcjonalnym, pomimo że układ w rzeczywistości pracuje w trybie „off-line”. Jest to jedno z dość często stosowanych rozwiązań, w którym powszechnie przyjęta klasyfikacja może prowadzić do nieporozumień. Zaletą takiego rozwiązania jest uzyskany końcowy efekt funkcjonalny jak dla klasy „on-line”, gdzie możliwe jest bezprzerwowe przejście z trybu zasilania sieciowego do akumulatorowego przy jednoczesnym zwiększeniu sprawności całego układu na skutek zastosowania trybu pracy „off-line” przekształtnika dc/dc [4].
Natomiast układy z podwójnym przetwarzaniem są najczęściej stosowanymi układami w zakresie mocy znamionowych powyżej 10 kVA, typową topologię przedstawiono na rysunku 3. Najistotniejszą cechą odróżniającą układy z podwójnym przetwarzaniem od pozostałych topologii jest wytwarzanie całkowitej mocy wyjściowej poprzez przekształtnik wyjściowy we wszystkich stanach pracy, co ma zarówno pozytywne, jak i negatywne skutki. Napięcie wyjściowe jest całkowicie niezależne od stanów przejściowych występujących przy zmianach trybu pracy, ponieważ nie występują żadne procesy komutacyjne obwodów wyjściowych, cały czas napięcie wyjściowe jest wytwarzane przez ten sam układ przekształtnikowy. Niestety, ciągła praca przekształtnika, w szczególności w trybie normalnym, powoduje zmniejszenie sprawności przetwarzania oraz duże znaczenie ma eksploatacyjne zużycie elementów [4].
Zgodność z parametrami sieci zasilającej
Podstawowe parametry elektryczne, które musi spełniać UPS: napięcie i częstotliwość, odpowiednia liczba faz, układ sieci, zgodność faz dla podwójnych torów zasilania i toru obejściowego. Jeżeli parametry te nie są zagwarantowane, należy obwód zasilania uzupełnić o dodatkowe elementy, takie jak transformatory, konwertery częstotliwości, wspólne linie zasilające dla linii wejściowych i toru bypassu serwisowego lub układy synchronizacji napięcia wyjściowego falownika z napięciem linii zasilającej tor obejściowy [2, 3].
Przy przełączeniu zasilania UPS-a z sieci elektroenergetycznej na pracę z zespołu prądotwórczego (szczególnie dla systemów średniej i dużej mocy) przydatna jest funkcja „miękkiego startu”, czyli stopniowego zwiększania mocy pochodzącej z zespołu prądotwórczego, przy jednoczesnym zmniejszaniu mocy pobieranej z baterii akumulatorów.
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 posiadają 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. Jeżeli wymagany jest dłuższy czas podtrzymania, można [2, 3]:
- przewymiarować UPS-a, wybierając o większej mocy z większą pojemnością baterii wewnętrznych,
- wybrać model UPS-a oferujący dłuższy czas podtrzymania,
- dobrać zewnętrzne moduły bateryjne,
- wyłączyć część odbiorników, jeśli istnieje taka możliwość (przy użyciu oprogramowania do zarządzania pracą UPS-a), pozostawiając więcej energii dla odbiorników krytycznych.
Należy zwrócić uwagę, że liczba zewnętrznych modułów bateryjnych jest ograniczona wydajnością ładowarki zasilacza UPS. Większe pojemności baterii wymagają dłuższego czasu ładowania, przez co UPS nie jest w krótkim czasie gotowy do podjęcia pracy po wcześniejszym rozładowaniu baterii.
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). Należy zwrócić uwagę, że niektóre zasilacze UPS wymagają stosowania wyłączników bateryjnych ze stykami pomocniczymi podnapięciowymi i cewką wyzwalającą [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.
Podsumowanie
Dla odbiorników o mocy do około 40kVA wymagających zasilania przy krótkich przerwach rzędu kilkudziesięciu sekund ciekawym rozwiązaniem może być zastosowanie zasilacza UPS z superkondensatorami lub dynamicznymi zasobnikami energii. Zestawy takie mogą również pracować wiele lat w szerokim zakresie zmian temperatury otoczenia od – 40 do +60°C.
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 i filtry wejściowe.
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, DWM, Warszawa 2021,
- K. Kuczyński, Zasilacz UPS – na co zwrócić uwagę dokonując wyboru cz.1., „elektro.info” 6/2013,
- K. Iwan, P. Musznicki, J. Guziński, J. Łuszcz, Laboratorium Podstaw Energoelektroniki, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2011