Efektywne systemy zasilania w budynkach

dr. inż. Karol Bednarek
EVER Sp. z o.o.
Efektywne systemy zasilania w budynkach inteligentnych
Wprowadzenie
W funkcjonowaniu budynku inteligentnego niezbędne (a wręcz konieczne) jest zapewnienie
prawidłowości pracy układów wykonawczych (silniki, przetworniki elektromechaniczne,
siłowniki itp.) oraz sterujących elementów systemu kontroli dostępu do budynku (takich jak
okna, drzwi, bramy wjazdowe i garażowe, ruchome kraty i żaluzje antywłamaniowe, a w
wysokich budynkach windy i elementy szybów transportowych), jak też wszelkich
odbiorników o znaczeniu priorytetowym.
Jednym z głównych problemów poprawnego działania tych obiektów jest dostarczenie energii
o określonych parametrach nawet w chwilach zaniku zasilania sieciowego w celu właściwego
zabezpieczenia (pozostawienia w pożądanym stanie: otwarcie – zamknięcie) wspomnianych
elementów kontroli dostępu, jak również sprowadzenia na określony poziom wind bądź
elementów szybów transportowych oraz zapewnienia niezawodnego zasilania wrażliwych
odbiorników.
Nieodzownym środkiem zaradczym w tych sytuacjach jest wykorzystanie systemów zasilania
gwarantowanego.
Z uwagi na konieczność oszczędzania surowców i energii (ze względów zasobowych,
gospodarczych oraz finansowych) obecnie bardzo często realizowane są inwestycje
energooszczędne, dlatego wykorzystywane są w każdym zakresie wszelkie dodatkowe
funkcjonalności wszystkich elementów funkcjonowania budynku, w tym również UPS,
zmierzające do poprawy gospodarowania energią, surowcami oraz zasobami ludzkimi.
Kompensacja mocy biernej
Podczas użytkowania urządzeń elektrycznych, elektronicznych i informatycznych pobierana
jest przez nie z układu zasilania energia czynna, związana z własnościami użytkowymi, jak
również energia bierna, związana z wytworzeniem określonych, wymaganych warunków
fizycznych (gromadzeniem energii w polu elektrycznym bądź magnetycznym, wytworzenie
pola magnetycznego dla funkcjonowania silników, transformatorów itp.). Moc bierna dzieli
się na indukcyjną (głównie pobieraną przez urządzenia zawierające uzwojenia, czyli cewki)
oraz pojemnościową (pobieraną szczególnie tam, gdzie funkcjonują kondensatory). Mają one
przeciwny znak, więc wypadkowa moc bierna jest różnicą tych dwóch składowych w
układzie. Mocy biernej nie należy przesyłać. Pobieraną z układu zasilania moc bierną można
skompensować podłączając się z mocą bierną przeciwnego znaku – i stąd mówi się o
kompensacji mocy biernej. W rzeczywistych układach kompensację mocy biernej można
zrealizować: podczas poboru mocy biernej indukcyjnej podłączając się do układu równolegle
z baterią kondensatorów, a w przypadku mocy pojemnościowej z indukcyjnościami
(cewkami), stosując kompensatory elektromechaniczne (przewzbudzone maszyny
synchroniczne) lub stosując dowolne inne (elektroniczne) przesuwniki fazowe (które
przesunięcie fazowe między prądem i napięciem sprowadzą do możliwie najbliższego zeru).
W obwodach wejściowych wszelkich systemów UPS występują układy zawierające
kondensatory, więc każdy taki zasilacz, oprócz poboru mocy czynnej (użytecznej),
charakteryzuje się poborem mocy biernej pojemnościowej. Jeśli w układzie zasilania
sieciowego równolegle z UPS załączone jest dodatkowo wiele urządzeń posiadających np.
zasilacze impulsowe na wejściu (takich jak komputery) bądź inne odbiorniki pobierające moc
bierną pojemnościową, to łączne rachunki za pobór energii biernej mogą być bardzo wysokie
(a nawet przekraczać kwoty opłat za pobór mocy użytecznej).
Kompensacja mocy biernej w UPS EVER POWERLINE 33 (funkcjonalność zgłoszona do
Urzędu Patentowego) polega na takim zarządzaniu prądem na wejściu zasilacza (pobieranego
przez układ prostowniczy), że następuje pełna kompensacja mocy biernej pojemnościowej
UPS-a, czyli współczynnik mocy takiego układu jest bliski jedności, niemalże niezależnie od
wartości pobieranej mocy czynnej (rys. 1). Uzyskuje się zatem pełną eliminację opłat z tytułu
ponadumownego poboru mocy przez UPS, a zatem wymierne, realne oszczędności
finansowe. Możliwe jest również wykorzystanie rozwiązania, w którym UPS EVER (bez
dołączania dodatkowych elementów kompensujących) będzie w pewnym zakresie
kompensował moc bierną innych urządzeń załączonych równolegle z nim do sieci
energetycznej w obiekcie.
Rys. 1. UPS EVER POWERLINE GREEN 33 z funkcją kompensacji mocy biernej
Od strony użytkowej problematykę tę można przedstawić najbardziej obrazowo na podstawie
jednego z przypadków realizowanych i analizowanych kompleksowych badań i pomiarów w
obiekcie, jakim był budynek banku. W obiekcie tym zainstalowany był trójfazowy UPS o
mocy 30 kVA, wyposażony w układ PFC (lecz nie posiadający funkcji kompensacji mocy
biernej oferowanej przez UPS EVER POWERLINE 33). Pomierzona, pobierana na jego
wejściu moc bierna wynosiła 2 kvar (rys. 2).
Rys. 2. Wyniki pomiarów na wejściu UPS w budynku banku
Równolegle z UPS-em załączone były odbiorniki głównie związane z kondycjonowaniem
powietrza oraz oświetleniem. Łącznie w całym budynku pobór mocy biernej pojemnościowej
był na poziomie 3 kvar. Opłaty za ponadumowny pobór energii biernej są około trzykrotnie
wyższe niż za pobór energii czynnej (użytecznej). W przypadku energii pojemnościowej
naliczane są za każdą zużytą kvarh, natomiast przy poborze energii biernej indukcyjnej – po
przekroczeniu dopuszczalnego umownego współczynnika mocy (najczęściej tg φ = 0,4, co
odpowiada cos φ = 0,93). Miesięczne opłaty za pobór energii biernej pojemnościowej w tym
obiekcie były wyższe niż za zużywaną energię użyteczną (czynną). Aby wyeliminować opłaty
za pobór energii biernej, można (jak to zostało opisane) zastosować dodatkowe urządzenie w
postaci kompensatora mocy biernej. Stosując UPS EVER POWERLINE 33 bez dołączania
dodatkowych urządzeń kompensujących nie jest pobierana przez niego moc bierna
pojemnościowa i eliminowane są opłaty wynikające z tego tytułu, czyli ma miejsce racjonalne
gospodarowanie energią, a jednocześnie osiąga się korzyści finansowe.
Dynamiczne (adaptacyjne) sterowanie chłodzeniem
Przy przepływie prądu przez dowolny przewodnik powstają w nim straty mocy, które
(zgodnie z prawem Joule’a) zamieniane są na ciepło. Wszystkie urządzenia i elementy
elektryczne mają jakieś określone rezystancje. Poza urządzeniami grzewczymi w pozostałych
sytuacjach wytwarzane ciepło nie jest pożądane. W większości przypadków wydzielające się
ciepło w układach i urządzeniach elektrycznych należy odprowadzić, aby nie doszło do ich
przegrzania i ewentualnych uszkodzeń. Stosuje się w tym celu chłodzenie układów: naturalne
(grawitacyjne) lub bardziej wydajne – wymuszone (wentylatory, układy klimatyzacyjne). W
urządzeniach dużych mocy powstaje więcej ciepła, więc wymagają często stosowania
chłodzenia wymuszonego. W zależności od rozwiązań technicznych urządzenia chłodzące
mogą pracować ciągle z pełną wydajnością bądź ich działanie może podlegać regulacji.
W UPS EVER POWERLINE realizowane jest adaptacyjne dostosowanie wydajności układu
chłodzenia do aktualnego stanu urządzenia (zapotrzebowania na odprowadzenie ciepła).
Osiąga się dzięki temu zmniejszenie strat mocy i kosztów wynikających z zapotrzebowania
na chłodzenie.
Wysoka sprawność w szerokim zakresie obciążeń
Każde urządzenie jest obiektem rzeczywistym a nie idealnym, zatem powstają w nim straty
energetyczne. Sprawność urządzeń jest stosunkiem mocy oddanej na wyjściu (użytecznej) do
mocy dostarczonej do jego wejścia, wyrażonym procentowo. Różnica tych dwóch mocy
związana jest z powstającymi w obwodach wewnętrznych urządzeń stratami. Straty mocy
dzieli się na: jałowe (powstające w załączonym urządzeniu w przypadku, gdy z jego wyjścia
nie jest odbierana energia) oraz obciążeniowe (związane z przepływem prądów roboczych).
Przy pełnym obciążeniu urządzeń dysproporcja między stratami a mocą całkowitą jest duża,
zatem osiąga się wysokie wartości sprawności. Gdy obciążenie maleje, zmniejsza się różnica
między stratami a mocą całkowitą i sprawność maleje (związane jest to głównie ze stałymi
stratami jałowymi, zależącymi od jakości elementów stosowanych w blokach wewnętrznych
urządzeń).
W UPS EVER POWERLINE wysoka sprawność utrzymywana jest w szerokim zakresie
obciążeń – dzięki stosowaniu wysokiej klasy podzespołów, o niskiej stratności i stabilnych
parametrach.
Selektywność okresów o różnych potrzebach poziomu zabezpieczenia
Zasilacze UPS mogą być wykonywane jako:
 VFI (on-line, o wysokim poziomie zabezpieczenia odbiorników, w których ma miejsce
podwójne przetwarzanie energii, na wyjściu wytwarzane jest przez falownik wzorcowe
napięcie o bardzo korzystnych parametrach i czas przejścia na stan rezerwowy jest równy
0 ms, ale mających nieco wyższe straty wewnętrzne),
 VFD bądź VI (off-line lub line-interactive, w których odbiorniki zasilane są napięciem
sieciowym, a w przypadku nieprawidłowości napięcia sieciowego przełączane są na pracę
falownikową i zasilanie rezerwowe, co trwa kilka ms, przy czym mają nieco mniejsze
straty w trybie sieciowym).
Szczególnie w systemach dużych mocy wykorzystywane są bardziej profesjonalne zasilacze
UPS on-line.
W UPS EVER POWERLINE (on-line), dzięki wprowadzeniu terminarza pracy systemu oraz
trybu ECO, możliwa jest poprawa efektywnej sprawności funkcjonowania systemu zasilania
poprzez selektywność dobową lub tygodniową okresów o różnej potrzebie poziomu
zabezpieczenia. Polega to na tym, że w okresach normalnej pracy zasilanego obiektu UPS
pracuje jako on-line, a gdy zabezpieczane odbiorniki nie wymagają najlepszych parametrów
napięcia (np. w okresach długotrwałych przestojów, w nocy), UPS przełączany jest w tryb
ECO (analogiczny do pracy off-line – zasilanie przez bypass napięciem sieciowym, a podczas
jego nieprawidłowości przejście na tryb rezerwowy), dzięki czemu osiąga się zwiększenie
sprawności całkowitej systemu.
W UPS EVER wprowadzono jeszcze wiele innych funkcjonalności, dzięki którym uzyskuje
się oszczędności finansowe (wynikające z racjonalnego gospodarowania energią),
zwiększenie niezawodności urządzeń (pewności i poprawności ich działania), jak też szersze
możliwości zarządzania pracą systemu zasilania wrażliwych odbiorników energii.
Literatura
[1] Bednarek K., Własności użytkowe systemów zasilania gwarantowanego (UPS), Energetyka&Elektrotechnika, nr 1 (23),
2013, s. 16-18.
[2] Bednarek K., Poziom niezawodności a wzrost obciążalności systemów zasilania gwarantowanego (UPS), Poznan
University of Technology Academic Journals, Electrical Engineering, No 78, Poznan 2014, p. 255-262.
Opublikowane: Inteligentny Budynek, nr 3 (16), 2014, s. 6-7.