Zasilacze UPS w układach zasilania urządzeń elektromedycznych (część 2.)

W przypadku pracy buforowej zasilanie odbiornika realizowane jest z przekształtnika, który jednocześnie ładuje baterie akumulatorów. W tych warunkach akumulator pozostaje w gotowości do przejęcia obciążenia na wypadek zaniku napięcia w obwodzie zasilającym prostownik, pozostając w stanie pełnego naładowania. Uproszczone układy współpracy baterii akumulatorów z prostownikiem przedstawia rysunek 1.

W zasilaczach UPS stosowane są akumulatory klasyczne o gęstości elektrolitu 1,24 kg/l lub akumulatory wykonane w technologii VRLA (Valve Regulated Lead Acid), czyli akumulatory regulowane z zaworem jednokierunkowym umożliwiającym usuwanie nadmiaru wodoru, o gęstości elektrolitu (1,25–1,3) kg/l. Akumulatory VRLA produkowane są w dwóch technologiach:

• AGM, w której elektrolit jest umieszczony w separatorze międzypłytowym wykonanym z włókna szklanego o dużej porowatości, które eliminuje niebezpieczeństwo wycieku elektrolitu oraz zabezpiecza przez możliwością powstania zwarcia pomiędzy płytami dodatnią i ujemną,
• SLA, w której elektrolit jest zestalony w postaci żelu, stanowiącego tiksotropową odmianę dwutlenku krzemu (SiO2).

Porównanie wybranych cech akumulatorów VRLA odmiany AGM oraz żelowej (SLA) przedstawia tabela 1. W akumulatorach klasycznych wodór oraz tlen stanowiące produkt elektrochemicznego rozkładu wody są usuwane na zewnątrz przez otwory technologiczne wykonane w korkach.

Natomiast w akumulatorach VRLA, które często błędnie nazywane są „szczelnymi” lub „hermetycznymi”, skutki reakcji elektrolitycznego rozkładu wody występują znacznie mniej intensywnie ze względu na wtórne reakcje powstających gazów prowadzące do znacznej ich redukcji przez ponowne powstanie wody i powrót do elektrolitu. Zagospodarowywanie powstających gazów jest jednak niecałkowite i ich nadmiar jest usuwany na zewnątrz akumulatorów przez jednokierunkowe zawory.

Wraz z upływem czasu eksploatacji wskutek zjawiska starzenia lub błędnego jej prowadzenia mogą pojawić się ilości gazów znacznie przekraczające ilości powstające w normalnych warunkach. Świadczy to o tym, że akumulatory te podobnie jak akumulatory klasyczne, stwarzają zagrożenie wskutek wprowadzania wodoru (H2) do pomieszczenia bateryjnego, który w mieszaninie z powietrzem przy stężeniu w zakresie (4–75)% staje się wybuchowy. Zakres wybuchowości wodoru został przedstawiony na rysunku 2.

Przy stężeniu stechiometrycznym, wynoszącym około 29 % wodoru (H2) w powietrzu, do wybuchu wystarczy energia o wartości 0,019 mJ. W praktyce stosuje się wentylację mechaniczną, choć po spełnieniu określonych warunków dopuszcza się wentylację grawitacyjną. Sterowanie wentylacją mechaniczną przedziału bateryjnego należy realizować z wykorzystaniem układów detekcji stężenia wodoru. Układy automatyki powinny mieć ustawione dwa progi wykrywania stężenia wodoru:

• 10% DGW, przekroczenie którego zostanie zasygnalizowane oraz zostanie uruchomiona wentylacja powodująca zwiększenie szybkości wymian powietrza o 100% w stosunku do warunków normalnych,
• 30% DGW, przekroczenie którego spowoduje oprócz dalszego działania sygnalizacji akustyczno-dźwiękowej oraz wentylacji, wyłączenie ładowania baterii akumulatorów do chwili ustania zagrożenia.

Podstawowe wymagania w zakresie wentylacji przedziału bateryjnego wynikają bezpośrednio z normy PN‑EN 62040-1:2009 Systemy bezprzerwowego zasilania (UPS). Część 1: Wymagania ogólne i wymagania dotyczące bezpieczeństwa UPS. Aneks M (normatywny). Wentylacja przedziałów bateryjnych [10]. Przybliżoną wartość przepływu zapotrzebowanego powietrza w ciągu godziny w [m3/h] można obliczyć ze wzoru (8) [10]:

gdzie:

v – wymagane rozcieńczenie wodoru (100 – 4)/4 = 24,

q – wytworzony wodór: 0,45·10^–3, w [m³/Ah],

s – współczynnik bezpieczeństwa,

I_g – prąd gazowania o wartości:

– 1 mA – dla baterii „zamkniętych” (z zaworem VRLA) przy zmiennym napięciu,

– 5 mA – dla baterii otwartych przy zmiennym napięciu,– 8 mA – dla baterii” zamkniętych” (z zaworem VRLA) przy stałym napięciu ładowania,

– 20 mA – dla baterii otwartych przy stałym napięciu ładowania,

n – liczba ogniw baterii, w [-],

C_B – pojemność baterii, w [Ah].

Q_p – ilość wymaganego powietrza, w [m3/h].

Przyjmując współczynnik bezpieczeństwa s = 5, wzór na obliczenie Q_p może być uproszczony:

• dla akumulatorów klasycznych:

• dla akumulatorów VRLA:

gdzie:

V_p – objętość pomieszczenia z akumulatorami, w [m³],

V_u – objętość, jaką zajmują akumulatory ze stojakami oraz inne wyposażenie pomieszczenia, w [m³],to wystarczające jest zastosowanie wentylacji grawitacyjnej, z umieszczonymi po przeciwnych stronach pomieszczenia otworami: dolotowym i wylotowym.

Każdy z tych otworów musi mieć powierzchnię nie mniejszą od określonej wzorem (12) [6]:

gdzie:

A_p – suma przekrojów otworów zewnętrznych i wewnętrznych, w [cm²].

W takim przypadku otwory wentylacyjne należy umieścić na przeciwległych ścianach. Jeżeli jest to niemożliwe i otwory wentylacyjne muszą zostać wykonane na tych samych ścianach, to odległość pomiędzy nimi nie może być mniejsza niż 2 m. Ten sam wymóg dotyczy instalowania wentylatorów wyciągowych, których odległość nie może być mniejsza niż 2 m. Podane wymagania mają charakter orientacyjny. Opracowanie projektu wentylacji pomieszczenia bateryjnego jest zagadnieniem wymagającym specjalistycznej wiedzy i powinno być opracowane przez uprawnionego projektanta branży sanitarnej. Rola projektanta elektryka ogranicza się do zaprojektowania układu sterowania i zasilania wentylatorów. Wentylacja pomieszczenia bateryjnego, spełniająca przedstawione wymagania, zgodnie z wymaganiami Rozporządzenia Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 7 czerwca 2010 roku w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (DzU nr 109/2010, poz. 719) (zgodnie z rozporządzeniem [5] za pomieszczenie zagrożone wybuchem przyjmuje się pomieszczenie, w którym spodziewany przyrost ciśnienia uzyskuje wartość &DeltaP ≥ 5 kPa) [5].

W pomieszczeniach bateryjnych ważna jest również klimatyzacja z uwagi na znaczne ilości ciepła wydzielanego przez ładowane lub rozładowywane akumulatory. Wzrost lub zmniejszenie temperatury pomieszczenia od wartości 20°C skutkuje odpowiednio zwiększeniem lub zmniejszeniem pojemności baterii. Dla celów praktycznych ilość ciepła wydzielanego podczas rozładowywania akumulatorów można oszacować ze wzoru (13) [10]:

gdzie:

I – przewidywany maksymalny prąd rozładowania, w [A],

n – liczba gałęzi równoległych pracujących w czasie rozładowania, w [-],

Q – ilość ciepła wydzielanego w czasie t, w [J],

R – rezystancja jednej gałęzi szeregowej akumulatorów (rezystancję dla pojedynczego ogniwa podają producenci baterii w swoich katalogach), w [W],

t – przewidywany czas rozładowania, w [s].

Akumulatory stosowane w zasilaczach UPS mają napięcie znamionowe 12 V (rzadziej stosuje się akumulatory o napięciu 6 V). Są one zbudowane z pojedynczych cel o napięciu znamionowym 2 V. W razie potrzeby akumulatory te łączy się równolegle w celu zwiększenia ich pojemności lub szeregowo w celu zwiększenia napięcia. Przykładowe warianty układu baterii akumulatorów przedstawia rysunek 3.

Baterie akumulatorów powinny być budowane z ogniw tego samego typu, pochodzących z tej samej serii produkcyjnej ze względu na rezystancję wewnętrzną, która decyduje o równomierności rozpływu prądów w poszczególnych gałęziach. Zaleca się instalowanie zabezpieczenia zwarciowego w każdym biegunie każdej gałęzi, możliwie blisko akumulatorów. Ponadto należy instalować zabezpieczenia centralne w każdym biegunie, zgodnie z zasadami przedstawionymi na rysunku 3. Dobór zabezpieczeń należy wykonać na podstawie spodziewanego prądu obciążenia znamionowego oraz spodziewanych prądów zwarciowych. Ponieważ rezystancja wewnętrzna akumulatorów stosowanych w zasilaczach UPS jest uzależniona od typu akumulatora i wynosi (0,5–3) mW/100 Ah, zwarcie skutkowało będzie przepływem prądów o dużej wartości, co należy uwzględnić przy doborze zabezpieczeń oraz doborze oprzewodowania. Szczegółowe wymagania w zakresie metodyki pomiarów oraz obliczania rezystancji wewnętrznej akumulatorów można znaleźć w normie PN-EN 60896-21:2007 Akumulatory ołowiowe. Część 21: Typy z zaworami. Metody badań [16].

Dla ułatwienia posługiwania się tymi wartościami wprowadzono jednostkę krotności pojemności znamionowej C, która wyraża prąd jednogodzinnego rozładowania określony jako 1C. Oznacza to, że akumulator o pojemności np. Q = 100 Ah rozładowywany będzie przez jedną godzinę prądem o wartości 100 A (jest to wartość teoretyczna; zgodnie z charakterystyką rozładowania przedstawioną na rysunku 5., w temperaturze 20°C do osiągniecia napięcia odcięcia czas ten wynosi 30 minut. Wynika to bezpośrednio z rysunku 4, gdzie w temperaturze 20°C przy prądzie rozładowania 1C, sprawny akumulator dysponuje około 60% pojemności znamionowej), ale prąd rozładowania oznaczony jako 0,1C oznacza wartość prądu 10 A i czas rozładowania akumulatora wynoszący 10 godzin.

Cechą charakterystyczną akumulatorów jest to, że im prąd rozładowania większy, to pojemość dysponowana mniejsza, podobnie im temperatura niższa, tym pojemność dysponowana mniejsza. Wpływ temperatury i prądu rozładowania na pojemność akumulatora przedstawia rysunek 4.

Analizując rysunek 4. (część 1. artykułu w „elektro.info” 6/2018) należy zauważyć, że dla prądu rozładowania wynoszącego 0,1C czas rozładowania 10-godzinnego w temperaturze –10°C zostanie skrócony do około 80%. Czyli dysponowana pojemność akumulatora wyniesie 80% jego znamionowej pojemności. Natomiast przy prądzie rozładowania wynoszącym 1C w temperaturze 20°C pojemność akumulatora wyniesie około 60% jego pojemności znamionowej, przez co czas rozładowania do uzyskania napięcia odcięcia Uk, wyniesie około 36 minut (rysunek 5., część 1. artykułu w „elektro.info” 6/2018). Przy doborze akumulatora należy pamiętać, że przy pracy w temperaturze niższej od określonej przez producenta pojemność akumulatora będzie niższa od pojemności znamionowej, co spowoduje skrócenie czasu pracy przy zasilaniu urządzeń.

Jeżeli wymagana jest praca akumulatora w niskich temperaturach, należy dobrać akumulator o większej pojemności znamionowej. Podczas eksploatacji akumulatorów bardzo istotne znaczenie ma niedopuszczenie do rozładowania poniżej napięcia końcowego Uk, zwanego powszechnie „napięciem odcięcia”, tj. wartości, przy której po rozładowaniu akumulator zachowuje znamionową pojemność oraz znamionową żywotność.

Napięcie to zależy od wartości prądu rozładowania i nie jest wartością stałą w odniesieniu do pojedynczego akumulatora. Przykładowe krzywe rozładowania akumulatora o pojemności 210 Ah w temperaturze 25°C przy różnych wartościach pądu rozładowania przedstawia rysunek 5. (część 1. artykułu w „elektro.info” 6/2018).

Jeżeli akumulator zostanie rozładowany do napięcia o wartości poniżej krzywej odcięcia, to jego pojemność zmniejszy się oraz zmniejszy się jego żywotność. Napięcie odcięcia dla określonych prądów rozładowania podają producenci akumulatorów. Rozładowanie akumulatora poniżej wartości napięcia odcięcia grozi jego trwałym uszkodzeniem. Każdy akumulator, którego pojemność spadła do wartości 80% jego pojemności znamionowej, należy wycofać z eksploatacji. Akumulatory SLA naładowane do pojemności znamionowej, przechowywane w temperaturze 20°C tracą średnio 3% pojemności w ciągu miesiąca [3]. Przechowywanie akumulatorów w stanie nienaładowanym może prowadzić do zmiany polaryzacji, co skutkowało będzie tym, że staną się one izolatorami. Czas przechowywania naładowanych akumulatorów jest uzależniony od temperatury i wynosi:

• 12 miesięcy w temperaturze (0–20)°C,
• 9 miesięcy w temperaturze (21–30)°C,
• 5 miesięcy w temperaturze (31–40)°C,
• 2,5 miesiąca w temperaturze (41–50)°C.

Graniczną temperaturą pracy lub przechowywania akumulatorów jest temperatura +55°C. Należy jednak pamiętać, że w warunkach eksploatacji temperatura +55°C jest dopuszczona przejściowo. Ciągłe jej utrzymywanie powoduje skrócenie projektowanego okresu żywotności baterii do około 15% okresu projektowanego czasu eksploatacji. Charakterystyki samorozładowania akumulatorów w funkcji czasu dla różnych temperatur składowania przedstawia rysunek 6.

Każde podwyższenie temperatury pracy akumulatora o (8–10)°C ponad temperaturę optymalną powoduje skrócenie czasu eksploatacji o połowę. Podobnie na długość eksploatacji akumulatorów ma wpływ głębokość rozładowania lub liczba cykli ładowania i rozładowania. Przykładowe charakterystyki żywotności akumulatorów przy pracy buforowej lub pracy cyklicznej przedstawia rysunek 7.

Producenci akumulatorów w kartach katalogowych podają charakterystyki stałoprądowego oraz stałomocowego rozładowania. Charakterystyki te są podobne i podawane w postaci tabel, których przykłady dla akumulatora o pojemności 210 Ah przedstawiają tabele 2. i 3.

Baterie akumulatorów stosowanych w zasilaczach UPS powinny być dobierane do mocy znamionowej zasilacza. Za podstawę doboru należy przyjąć wymaganą moc czynną/ogniwo, którą należy wyznaczyć ze wzoru:

gdzie:

P_ogn – wymaga moc czynna pojedynczego ogniwa przy stałomocowym rozładowaniu akumulatora do określonego napięcia odcięcia U_k, w [W/ogniwo],

S – znamionowa moc pozorna zasilacza UPS, w [VA],

cosφ_z – współczynnik mocy, przy którym pracuje zasilacz UPS (współczynnik mocy zasilanych odbiorników, w [-],

η – sprawność zasilacza UPS, w[-],

n – liczba ogniw w akumulatorze (przy napięciu akumulatora 12 V – 6 ogniw; przy napięciu akumulatora 6 V – 3 ogniwa),

U_{n UPS} – napięcie znamionowe zasilacza UPS, w [V],

U_{n akum.} – napięcie znamionowe akumulatora, w [V],

- wymagana liczba akumulatorów w pojedynczej gałęzi szeregowej [-].

Kolejnym ważnym parametrem akumulatora jest rezystancja, która ma wpływ na wydatki prądowe. Natomiast one narzucają wymagania w zakresie odporności zwarciowej dobieranych aparatów elektrycznych. Ma ona szczególne znaczenie dla krótkich czasów rozładowań. Dla czasów rozładowań wynoszących co najmniej 3 godziny rezystancja wewnętrzna akumulatora nie ma istotnego wpływu na wydatki prądowe akumulatora.

Wartość rezystancji wewnętrznej akumulatora jest bardzo mała i wynosi:

• (1–3) mΩW/100 Ah dla akumulatorów klasycznych,
• (0,5–3) mΩ/100 Ah dla akumulatorów VRLA.

Wpływ rezystancji wewnętrznej akumulatorów różnych typów na wydatek prądowy funkcji czasu rozładowania I = f(t), przedstawia rysunek 8.

Producenci podają rezystancję wewnętrzną dla akumulatorów nowych. Jest ona obliczana na podstawie pomiarów w dwóch punktach zgodnie z rysunkiem 4. Pierwszy pomiar prądu i napięcia wykonuje się po czasie (20–25) [s] od momentu załączenia akumulatora na rozładowanie prądem o wartości (4–6)×0,1C. Drugi pomiar prądu i napięcia wykonuje się przy rozładowaniu akumulatora wykonywanym po pierwszej próbie z opóźnieniem trwającej (2–5) minut, prądem o wartości (20–40)×0,1C (gdzie 1C – prąd rozładowania jednogodzinnego:

0,1C – prąd rozładowania 10-godzinnego:

Rezystancję akumulatora zgodnie z wymaganiami normy [17] wyznacza się ze wzoru (17) [11], do którego ilustrację graficzną przedstawia rysunek 9.

Przykład

Dobrać akumulatory oraz ich zabezpieczenia do zasilacza UPS zasilanego trójfazowo i o wyjściu trójfazowym (3/3), Masterys GP 4.0 60 kVA/kW, zasilającego odbiorniki przy współczynniku mocy cos φz = 0,8 oraz sprawności zasilacza η = 0,96. Napięcie odcięcia U_k = 1,7 V/ogniwo. Wymagany czas pracy zasilanych odbiorników wynosi 30 minut. Temperatura pomieszczenia 25°C.

Założono dobór baterii 12 V w oparciu o serię Sprinter P/XP firmy Exide, których charakterystykę rozładowania stałomocowego do napięcia 1,7 V na pojedynczą cele przy temperaturze 25°C przedstawia tabela 4. Baterie są instalowane jako jedna gałąź dwuczęściowa z wyprowadzonym środkiem (rys. 3b).

Rozwiązanie:

Wymagana moc na wyjściu zasilacza UPS:

Obliczenia dla XP12V1800

Liczba wymaganych baterii:

Obliczenia dla XP12V3000

Liczba wymaganych baterii:

Obliczenia dla XP12V3400

Liczba wymaganych baterii:

Ze względu na konstrukcję zasilacza UPS Masterys GP 4.0, muszą być stosowane gałęzie akumulatorów dwuczęściowe (rys. 3b), a wymagana liczba baterii w każdej części gałęzi powinna wynosić n = (18–20), co daje napięcie wyjściowe równe U = (216–240) Vdc. Ze względów eksploatacyjnych należy przyjąć następującą liczbę akumulatorów w każdej części gałęzi:

Zatem napięcie części łańcucha baterii przy n = 18 baterii wyniesie:

Spodziewany prąd obciążenia gałęzi:

Rezystancja wewnętrzna akumulatora XP12V3000 wynosi: Rw = 5,2 mW.

Spodziewane prądy zwarciowe:

Do zabezpieczenia poszczególnych gałęzi należy przyjąć bezpieczniki topikowe 2xaR250 o odporności zwarciowej Ics = 50 kA (wkładki typu aR są zalecane przez producenta ze względu na ochronę elementów półprzewodnikowych zasilacza UPS od strony napięcia DC).Uwaga! W analogiczny sposób dobiera się zasilacz UPS 3x230/400V//3x230x400 V.

Literatura: 

1. Ustawa o ochronie przeciwpożarowej [tekst jednolity: Dz. U. z 2017 roku poz. 736]
2. Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z 12  kwietnia 2002 roku w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [Dz. U. z 2015 roku poz.1422].
3. Rozporządzenie Ministra  Łączności z 21 kwietnia 1995 roku w sprawie zasilania energią elektryczną obiektów budowlanych łączności [Dz. U. Nr 50/1995 poz. 271].
4. Rozporządzeniu Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 20 czerwca 2007 r. w sprawie wykazu wyrobów służących zapewnieniu bezpieczeństwa publicznego lub ochronie zdrowia i życia oraz mienia, a także zasad wydawania dopuszczenia tych wyrobów do użytkowania [Dz. U. 2007 nr 143 poz. 1002 z późniejszymi zmianami].
5. Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych  i Administracji z dnia 7 czerwca 2010, w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków innych obiektów i terenów [Dz. U. Nr 109/2010 poz. 719].
6. Rozporządzenie  Ministra Infrastruktury i Budownictwa z dnia 17 listopada 2016 roku, w sprawie sposobu deklarowania właściwości użytkowych wyrobów budowlanych oraz sposobu znakowania ich znakiem budowlanym Dz. U. z 2016 roku poz. 1966].
7. PN-HD 60364-4-41:2009 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 4-41. Instalacje dla zapewnia bezpieczeństwa Ochrona przed porażeniem elektrycznym.
8. PN-EN 50160:2010 Parametry jakościowe napięcia w publicznych sieciach rozdzielczych.
9. ISO8528-5 Zespoły prądotwórcze prądu przemiennego napędzane silnikiem spalinowym tłokowym. Zespoły prądotwórcze.
10. PN-EN 62040-1:2009 Systemy bezprzerwowego zasilania (UPS). Część 1. Wymagania ogólne i wymagania dotyczące bezpieczeństwa UPS. Aneks M (normatywny). Wentylacja przedziałów bateryjnych.
11. Z. Łęgosz – Potrzeby własne w elektroenergetyce - OPBEE – materiał konferencyjne, Szklarska Poręba 11-13 grudnia 2011 
12. Poradnik projektanta Systemów Sygnalizacji Pożaru – cz. II – SITP Warszawa 2009
13. J. Wiatr, M. Orzechowski – Poradnik Projektanta Elektryka – Grupa Medium Warszawa 2012, wydanie V
14. J. Wiatr, A. Boczkowski, M. Orzechowski – Ochrona przeciwporażeniowa oraz dobór przewodów i ich zabezpieczeń w instalacjach elektrycznych niskiego napięcia – DW MEDIUM Warszawa 2010 - wydanie I
15. T. Sutkowski – Rezerwowe i bezprzerwowe zasilanie w energię elektryczną. Urządzenia i układy. – COSiW SEP 2007 
16. K. Sałasiński – Bezpieczeństwo elektryczne w zakładach opieki zdrowotnej – COSiW SEP 2007
17. PN-HD 60364-7-710:2012 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 7-710: Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji. Pomieszczenia medyczne. – wersja angielska
18. PN-EN 60896-11:2007 Baterie ołowiowe stacjonarne. Część 11. Ogólne wymagania i metody badań.
19. www.aval.com.pl -19.07.2017 - karta katalogowa akumulatora EPL 201-12  
20. PN-HD 60364-7-710:2012 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 7-710. Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji. Pomieszczenia medyczne.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!