Zasilacze bezprzerwowe (UPS)
Dobór mocy zasilaczy – zagadnienia wybrane
![Rys. 1. Algorytm doboru siłowni telekomunikacyjnej [2]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/202003/zasilacze-bezprzewodowe-1.jpg)
Rys. 1. Algorytm doboru siłowni telekomunikacyjnej [2]
Zasilacz UPS to urządzenie przeznaczone do zapewnienia bezprzerwowej pracy urządzeń komputerowych, łączności oraz innych urządzeń wrażliwych na przerwy w zasilaniu, wahania napięcia i inne zakłócenia występujące w sieci zasilającej. Jest on urządzeniem energoelektronicznym, umożliwiającym zasilanie odbiorników z baterii lub innego magazynu energii elektrycznej, w przypadku zaniku napięcia w sieci zasilającej.
Eliminuje zakłócenia pochodzące z sieci elektroenergetycznej, utrzymuje stałą wartość napięcia i w razie potrzeby izoluje dołączone do niego urządzenia od sieci elektroenergetycznej. Dzięki temu wyklucza się możliwość uszkodzenia sprzętu i oprogramowania, a także nieprzewidywalnego działania urządzeń. Na rynku dostępne są następujące typy zasilaczy UPS:
- pracujące w trybie VFD (off-line),
- pracujące w trybie VI (line-interactive – sieciowo interaktywne),
- pracujące w trybie VFI (on-line).
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:
Wzór 1
gdzie:
Pz – moc czynna zapotrzebowana, w [kW],
kz – współczynnik zapotrzebowania, w [-],
Pi – moc czynna i-tego odbiornika objętego systemem zasilania gwarantowanego, w [kW].
Moc bierną zapotrzebowaną należy obliczyć ze wzoru:
Wzór 2
gdzie:
QZ – moc bierna zapotrzebowana, w [kvar],
cosϕi – współczynnik mocy i-tego odbiornika objętego systemem zasilania gwarantowanego, w [-].
Kolejnym krokiem jest obliczenie minimalnej mocy pozornej na podstawie mocy czynnej zapotrzebowanej oraz mocy biernej zapotrzebowanej ze wzoru:
Wzór 3
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 ze wzoru:
Wzór 4
Uwzględnienie prądów rozruchowych oraz odkształconych przy doborze mocy zasilacza UPS jest niezbędne do 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 z kolei będzie skutkowało 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-a przekroczy wartość znamionowego współczynnika szczytu, to mogą wystąpić zakłócenia w pracy zasilacza łącznie z jego wyłączeniem.
Ponieważ zasilacz UPS musi pokryć zapotrzebowanie mocy czynnej PZ oraz mocy biernej QZ, w przypadku, gdy UPS konwertuje energię przy współczynniku mocy cosϕZ<cosϕnUPS, zmniejsza się zdolność wykorzystania mocy czynnej UPS-a ze względu na możliwości przełączeniowe układu półprzewodnikowego falownika.
UWAGA |
Falownik zasilacza UPS zasilający odbiorniki posiada ograniczenia wydajności mocy czynnej związanej z kształtowaniem przebiegu napięcia przy poborze prądu odbiorników zarówno o charakterze pojemnościowym, jak i indukcyjnym, czyli cosϕnUPS. Zatem w przypadku wytwarzania energii elektrycznej przy współczynniku cosϕZ<cosϕnUPS skutkuje zmniejszeniem jego wykorzystania. Względne obciążenie zasilacza UPS mocą czynną można określić współczynnikiem wykorzystania, który należy obliczyć ze wzoru:
Wzór 5
Wymagana minimalna moc czynna zespołu prądotwórczego musi spełniać następującą nierówność:
Wzór 6
Obliczony ze wzoru (5) współczynnik wykorzystania p należy podstawić do wzoru (6). W przypadku, gdy p31, do wzoru (6) należy wstawić wartość 1. Wartość współczynnika mocy cosϕnUPS należy przyjąć zgodnie z DTR zasilacza UPS.
W przypadku braku informacji w tym zakresie można przyjmować cosϕnUPS=0,8 dla zasilaczy UPS o konstrukcji transformatorowej lub cosϕnUPS=0,9 dla zasilaczy beztransformatorowych z falownikiem IGBT. Moc pozorna zasilacza UPS musi spełniać następującą nierówność:
Wzór 7
gdzie:
PUPSmin – minimalna moc czynna, jaką musi pokryć zasilacz UPS, w [kW],
cosϕnUPS – znamionowy współczynnik mocy zasilacza UPS, w [-].
Mała wartość współczynnika mocy cosϕZ 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 przetwarzanie energii elektrycznej przez zasilacz UPS przy współczynniku mocy cosϕZ<cosϕnUPS skutkuje koniecznością zwiększenia jego mocy do wartości umożliwiającej pełne pokrycie mocy czynnej zapotrzebowanej PZ oraz mocy biernej zapotrzebowanej QZ.
W przypadku, gdy zasilacz służy do zasilania urządzeń z dużym prądem rozruchowym, 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 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.
Oszacowanie wartości mocy deformacji powodowanej niesymetrycznym obciążeniem jest dość trudne, jednak współczesne zasilacze UPS beztransformatorowe z falownikiem wykonanym w technologii IGBT są odporne na asymetrię obciążenia wyjściowego.
Zasilacze dc – siłownie telekomunikacyjne (STK)
Siłownia telekomunikacyjna jest to zasilacz stałoprądowy, którego zasada działania jest podobna do działania zasilacza UPS. Zasilacz ten służy do wytworzenia napięcia 48 V dc i jest przeznaczony do zasilania central telekomunikacyjnych. W przypadku zaniku napięcia zasilającego w sieci elektroenergetycznej, energia czerpana jest z baterii stanowiących element składowy zasilacza.
Dobór STK polega na przyjęciu określonego typu urządzenia i wyznaczeniu liczby niezbędnych zasilaczy, w które należy wyposażyć dobieraną siłownię. Liczba dobieranych zasilaczy N ze względów eksploatacyjnych musi zostać powiększona o jeden moduł, czyli:
Wzór 8
Podstawą wszelkich obliczeń jest moc czynna zapotrzebowana przez centrale (PC), która będzie zasilana przez dobieraną STK. W celu ułatwienia prowadzenia tych obliczeń niżej zostaną podane niezbędne wzory:
Wzór 9
Wzór 10
Wzór 11
Wzór 12
Wzór 13
Wzór 14
gdzie:
P' wejSTK – moc czynna wejściowa siłowni telekomunikacyjnej, w [W],
P wejSTK– moc czynna wejściowa siłowni telekomunikacyjnej niezbędna do pokrycia mocy zapotrzebowanej przez zasilane odbiorniki, w [W],
PC – moc czynna zapotrzebowana przez centralę, w [W],
N – liczba wymaganych zasilaczy dc, w [-],
PŁB – moc czynna ładowania baterii, w [W],
IŁ – prąd ładowania baterii, w [A],
P1 – moc czynna pojedynczego zasilacza, w [W],
Inc – całkowity prąd pobierany przez centralę, w [A],
Tp – czas podtrzymania zasilania przy pracy bateryjnej, w [h],
TŁ – czas ładowania baterii (przyjmuje się 10 h), w [h],
Unc – napięcie znamionowe STK, w [V].
Wartość 52 we wzorze (10) stanowi wartość napięcia, przy którym ładowane są baterie.
Na rysunku 1. został przedstawiony algorytm doboru siłowni telekomunikacyjnej.
Moc wejściową STK, której znajomość jest niezbędna przy bilansie mocy zapotrzebowanej przez zasilany obiekt budowlany, należy wyznaczyć ze wzorów:
Wzór 15
gdzie:
cosϕwejSTK – współczynnik mocy wejściowej STK, w [-],
QwejSTK – moc bierna zapotrzebowana przez STK, w [var].
W przypadku zasilania STK z zespołu prądotwórczego, gdy THDi zbliża się do 8%, a moc generatora zespołu prądotwórczego nie została przewymiarowana, należy mieć świadomość, że długotrwałe obciążenie w tym stanie spowoduje przedwczesne wyeksploatowanie zespołu. Należy zatem w takim przypadku unikać długotrwałej pracy z pełnym obciążeniem generatora.
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.
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.
Zespół prądotwórczy powinien bezpiecznie pokrywać zapotrzebowanie zasilacza UPS i odbiorników kategorii II (odbiorniki objęte tylko systemem zasilania awaryjnego, niechronione przez zasilacz UPS). Jego moc jest sumą mocy pobieranej przez UPS w stanie pełnego obciążenia i mocy odbiorników kategorii II:
Wzór 16
gdzie:
PUPSwy – moc wejściowa zasilacza UPS, w [kW],
η – moc sumaryczna odbiorników kategorii II, w [kW].
Moc wejściową zasilacza UPS obliczamy korzystając z zależności:
Wzór 17
gdzie:
PB – dodatkowa moc wejściowa zasilacza związana z ładowaniem baterii (co najmniej 25% mocy znamionowej zasilacza), w [kW],
PUPSwy – wyjściowa moc czynna zasilacza UPS, w [kW],
η – sprawność zasilacza UPS, w [-],
W – współczynnik przewymiarowania mocy zespołu biorący pod uwagę między innymi odkształcenie prądu wejściowego zasilacza UPS:
Jeżeli zasilacz UPS ma możliwość rozbudowy (zwiększenie mocy wyjściowej przewidziane w konstrukcji urządzenia), należy brać pod uwagę największą moc wyjściową zasilacza. 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 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 zespołem prądotwórczym, nie jest więc uzasadniona ekonomicznie).
Uwaga! Nie powinno się stosować innych topologii zasilaczy niż online, gdyż tylko taka topologia gwarantuje, że poprawność współpracy zasilacza UPS z zespołem prądotwórczym nie zachwieje się w wyniku zmiany charakterystyki odbiorników.
UWAGA |
Przykład
Należy dobrać moc zespołu prądotwórczego przeznaczonego do awaryjnego zasilania następujących odbiorników:
a) 2 silniki indukcyjne klatkowe o następujących parametrach: Pns=10 kW; kr=6; cosϕ=0,8; h=0,8; Un=3´400 V; sn=5%; kMr=2,3,
b) zasilacz UPS o następujących parametrach: Pn=20 kW; cosϕ=0,95; THDi=8%; Un=3´400/230 V; η=0,9,
c) odbiorniki oświetleniowe o łącznej mocy P=6 kW; cosϕ=0,7; Un=230 V (odbiorniki pogrupowane są symetrycznie, co zapewnia jednakowe obciążenie poszczególnych faz).
Moc znamionowa pojedynczego silnika:
Prąd rozruchowy przy połączeniu w trójkąt:
Jest to duży prąd, który należy ograniczyć. Jednym ze sposobów jest zastosowanie przełącznika gwiazda/trójkąt, dzięki czemu uzyskuje się 3-krotne zmniejszenie prądu rozruchowego, zatem:
Ze względu na znaczny prąd rozruchowy pojedynczego silnika należy zastosować układ uniemożliwiający jednoczesny rozruch wszystkich silników. Zatem przy założeniu sekwencyjnego rozruchu silników, moc szczytowa obciążenia wyniesie:
Moc zapotrzebowana przez zasilacz UPS:
Całkowita moc czynna zapotrzebowana:
Na podstawie katalogu producenta zespołów prądotwórczych warunki spełnia zespół o mocy 80 kVA.
![Rys. 1. Algorytm doboru siłowni telekomunikacyjnej [2]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/rys1-28.jpg)
