Na co zwracać uwagę przy wyborze zasilacza UPS?
Przykładowy widok wnętrza zasilacza VFI
Występowanie stanów awaryjnych lub innych zaburzeń w systemie elektroenergetycznym, jak również oddziaływanie czynników atmosferycznych wpływa na powstawanie przerw w dostawach energii. 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 przytoczonymi konsekwencjami 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]. Dobierając zasilacz UPS do konkretnego przypadku warto dokładnie przeanalizować kilka istotnych kwestii, które mogą decydować o właściwym doborze i długoletnim zadowoleniu jego użytkownika.
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...
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 posiadają wielu funkcji i zaawansowanych rozwiązań technologicznych, takich jak zasilacze dużej mocy, stąd ich niezawodność może być znacznie obniżona.
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.
Wybór układu UPS ze względu na niezawodność systemu
Znając poziom dostępności, jaki jest wymagany przez odbiory, należy dobrać układ zasilania gwarantowanego o odpowiedniej niezawodności. Najczęściej stosowane są następujące rozwiązania [2]:
- VFD (Off-Line) – zastosowania domowe, pojedyncze komputery, stacje robocze, komputery biurowe,
- VI (Line-Interactive) – serwery, małe sieci, komputery PC, urządzenia sieciowe,
- VFI (On-Line) – wszystkie urządzenia, które wymagają bezprzerwowego zasilania, serwerownie, bazy danych, sieci komputerowe, urządzenia automatyki przemysłowej, sterowniki przemysłowe,
- układy redundantne UPS – odbiory o znaczeniu krytycznym, centra przetwarzania danych, ośrodki obliczeniowe, farmy serwerów, urządzenia do pracy ciągłej 24 h/365 dni,
- podwójne systemy zasilania, współbieżne, bez pojedynczych punktów awarii – systemy IT o najwyższym znaczeniu krytycznym o dostępności na poziomie 99,999%,
- dwa lub więcej układy zasilania gwarantowanego dla odbiorników posiadających redundantne zasilacze wewnętrzne.
Schemat blokowy systemu zasilania
Przed przystąpieniem do wyboru systemu zasilania gwarantowanego, dobrą praktyką jest wykonanie schematu blokowego systemu. W schemacie należy uwzględnić konfigurację zasilacza UPS, sposób połączeń odbiorników, grupy odbiorników, urządzenia do dystrybucji zasilania, przeanalizować sytuacje awaryjne, działania serwisowe, okresowe wyłączenia urządzeń do przeglądów i konserwacji, tory obejściowe, określić najsłabsze punkty systemu zasilania. Na podstawie uzyskanych od producentów danych należy 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 oraz moc potrzebną na doładowanie baterii akumulatorów. Posiadając 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 posiadają 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 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].
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].
Topologia On-Line (VFI) – 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].
Topologie Off-Line (VFD) i Line-Interactive (VI) mają zastosowanie dla jednofazowych UPS-ów małych mocy do 3 kVA podłączanych do gniazd sieciowych lub podłączonych na stałe do 10 kVA i wszędzie tam, gdzie jakość zasilania jest na poziomie tolerowanym przez odbiory.
Sprawność tych urządzeń jest zwykle większa (nie występuje podwójne przetwarzanie energii) niż zasilaczy On-Line. W przypadku, gdy jakość zasilania sieciowego jest niska (występują częste zapady napięcia), UPS-y Line-Interactive będą często korzystały z baterii powodując szybsze ich zużycie i częstsze wymiany. Topologia On-Line stanowi najlepsze rozwiązanie zarówno dla odbiorników IT, przemysłowych, jak i najprostszych zastosowań [1, 2].
Zgodność z parametrami sieci zasilającej
Podstawowe parametry elektryczne, które musi spełniać UPS to: 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 większą pojemność baterii wewnętrznych,
- wybrać model UPS-a oferujący dłuższy czas podtrzymania,
- dobrać zewnętrzne moduły bateryjne,
- zamknąć 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 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.
UPS-y dużej mocy posiadają 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 40 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.
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, DWM, Warszawa 2012.
- J. Wiatr, M. Miegoń, Zasilanie budynków użyteczności publicznej oraz budynków mieszkalnych w energię elektryczna, niezbędnik elektryka nr 4, Warszawa 2012.