Korzyści płynące z dodatkowych funkcjonalności systemów

Korzyści płynące z dodatkowych funkcjonalności systemów

dr. inż. Karol Bednarek
EVER Sp. z o.o.
Korzyści płynące z dodatkowych funkcjonalności systemów zasilania
gwarantowanego (UPS)
Wprowadzenie
We wszystkich jednostkach gospodarczych wprowadza się coraz bardziej zaawansowane urządzenia
elektryczne, elektroniczne i informatyczne, od których prawidłowej pracy zależą: ciągłość procesów
produkcyjnych, bezpieczeństwo przetwarzanych informacji i danych, prawidłowość gospodarowania
energią (ograniczanie strat i eliminacja obciążeń mocą bierną) oraz zasobami ludzkimi (właściwa
organizacja pracy – wykluczenie powstawania przestojów wynikających z awarii osprzętu),
bezpieczeństwo człowieka (eliminacja zagrożeń dla zdrowia lub życia), a także niezawodność pracy
urządzeń i ich trwałość (żywotność). Prawidłowość pracy urządzeń nierozerwalnie związana jest z
pewnością dostaw i jakością dostarczanej do ich zasilania energii [1].
Wszelkie systemy energetyczne mogą ulegać awariom bądź mogą w nich pojawić się
nieprawidłowości w parametrach dostarczanej energii. Poza zwykłymi uszkodzeniami elementów
systemu lub oddziaływaniem zjawisk naturalnych, nieprawidłowości te wynikają często z załączenia
do wspólnej sieci elektroenergetycznej innych odbiorców, wykorzystujących odbiorniki nieliniowe
czy dynamicznie przełączających duże obciążenia z elementami zachowawczymi (biernymi,
w których mają miejsce stany nieustalone). W rezultacie w sieci energetycznej mogą pojawiać się
zaburzenia w postaci zmian wartości napięcia (zapady, wzrosty), przerw w zasilaniu, przepięć bądź
oddziaływań wyższych harmonicznych (odkształceń napięć i prądów).
W celu poprawy jakości i niezawodności zasilania urządzeń o znaczeniu (z punktu widzenia
użytkownika) priorytetowym stosuje się bardzo często systemy zasilania gwarantowanego (UPS) [14]. Oprócz poprawy bezpieczeństwa zasilania urządzeń oraz jakości napięcia zasilającego w obecnych
zasilaczach UPS wprowadza się dodatkowe funkcjonalności, dzięki którym możliwe są: optymalne
zarządzanie energią, dalsza poprawa niezawodności zasilania urządzeń (układy redundantne),
uelastycznienie rozbudowy mocy systemu, uzyskanie dodatkowych informacji środowiskowych, itp.
Kompensacja mocy biernej
We wszystkich zasilaczach UPS obwody wejściowe zawierają kondensatory, czyli pobierana jest
przez nie z sieci obok mocy czynnej (użytecznej) moc bierna pojemnościowa. Stosowane są w nich
często układy PFC, poprawiające współczynnik mocy cos φ (przy zalecanym poziomie obciążenia
osiąga on wartości bliskie 0,99), jednak cały czas pobierana jest pewna energia bierna pojemnościowa
(a za każdą zużytą kvarh naliczana jest użytkownikowi opłata około trzykrotnie wyższa niż za energię
czynną – użyteczną).
Kompensacja mocy biernej w UPS EVER POWERLINE GREEN 33 jest realizowana w zupełnie inny
sposób. Obwód wejściowy zasilacza pracuje jednocześnie jako elektroniczny przesuwnik fazowy
(funkcjonalność zgłoszona do Urzędu Patentowego), czyli wejściowa moc bierna pojemnościowa jest
sprowadzana do zera. Eliminuje się dzięki temu całkowicie opłaty za pobór mocy biernej
pojemnościowej przez UPS. W firmie EVER w trakcie realizacji projektowej jest szersza
funkcjonalność UPS POWERLINE GREEN 33 (również podlegająca patentowaniu), polegająca na
kompensacji mocy biernej pobieranej przez urządzenia załączone do tej samej sieci zasilającej co
obwód wejściowy UPS. Zasilacz UPS EVER będzie kompensował moc bierną własną i urządzeń
równolegle z nim załączonych do sieci elektroenergetycznej poprzez odpowiednie zarządzanie prądem
wejściowym, bez stosowania dodatkowych elementów i urządzeń kompensacyjnych. UPS będzie
jednocześnie dodatkowo pełnił funkcję kompensatora mocy biernej dla urządzeń zasilanych z tej
samej sieci, co obwód wejściowy zasilacza.
Ewidentną korzyścią, wynikającą z zastosowania tej funkcjonalności, jest osiągnięcie oszczędności
finansowych, wynikających z eliminacji opłat za ponadumowny pobór mocy biernej z sieci zasilającej.
Obciążalność systemu a zwiększanie jego niezawodności
Zwiększanie mocy zasilania zabezpieczanych odbiorników realizowane jest niejednokrotnie przez
wymianę istniejącego zasilacza UPS na jednostkę o większej mocy znamionowej. Najczęściej
korzystniejszym sposobem zwiększenia obciążalności układu jest zastosowanie zasilaczy UPS,
których dodatkową funkcjonalnością jest możliwość pracy równoległej (rys. 1), dzięki czemu
powstaje możliwość rozbudowy mocy systemu zasilania. Należy jednak pamiętać, że równolegle
mogą pracować tylko takie same zasilacze UPS, właściwie zsynchronizowane.
Wprowadzenie do układu zasilania systemu UPS ma na celu zwiększenie niezawodności zasilania
urządzeń (o znaczeniu priorytetowym). Sam system zabezpieczający (UPS), jak każde urządzenie
techniczne, również może ulec awarii. W celu zwiększenia pewności działania całego systemu
zasilania (osiągnięcia założonego poziomu niezawodności) wprowadza się do układu jednostki
nadmiarowe (dodatkowe UPS), które w przypadku uszkodzeń jednostki podstawowej przejmują jej
funkcję i nieprzerwanie dostarczają energię do zabezpieczanych urządzeń [3]. Tę nadmiarowość w
stosunku do tego, co jest niezbędne, nazywa się redundancją.
W praktyce w zależności od oczekiwanego poziomu niezawodności oraz organizacji infrastruktury w
rozpatrywanym obiekcie stosuje się układy redundantne: szeregowe, równoległe, mieszane bądź
„system + system” – wszystkie rozpatrywane pod kątem odpowiedniego poziomu zwielokrotnienia
urządzeń (nadmiarowości) oraz określonego zakresu eliminacji tzw. pojedynczych punktów awarii.
Najbardziej popularnym użytkowo jest system równoległy.
Wynika stąd, że dzięki wprowadzeniu dodatkowej funkcjonalności w postaci pracy równoległej
zasilaczy można osiągnąć:
a) wzrost obciążalności systemu zasilania gwarantowanego,
b) zwiększenie niezawodności (poprzez wprowadzenie redundancji) systemu zasilania.
Rys. 1. Sześć UPS EVER POWERLINE GREEN 33 20 kVA pracujących równolegle
Inne własności i funkcjonalności UPS
Istotną z punktu widzenia pewności zasilania własnością UPS EVER jest wysoki prąd zwarcia.
Zasilacze trójfazowe UPS zasilają często kilka linii, stanowiących odrębne obwody i posiadających
własne zabezpieczenia liniowe. Jeśli UPS ma duży prąd zwarcia, to w przypadku wystąpienia zwarcia
w urządzeniu w określonej linii zadziała zabezpieczenie liniowe, odłączona zostanie linia, w której
wystąpiło zwarcie, a pozostałe linie nadal zasilane są przez UPS. Mówi się wówczas o osiąganiu
korzystnej selektywności zabezpieczeń na liniach dystrybucji zasilania [2].
Kolejną pozytywną własnością zasilaczy produkowanych przez firmę EVER jest uzyskiwanie
wysokiej sprawności w szerokim zakresie zmian obciążenia. Jest ona skutkiem stosowania wysokiej
klasy podzespołów systemu, niskostratnych, o niskiej zawartości zniekształceń, o wysokiej stabilności
parametrów i długiej żywotności, jak również dynamicznego algorytmu sterowania chłodzeniem
(dostosowanie wydajności układu chłodzenia do aktualnego stanu urządzenia, a w efekcie
ograniczenie kosztów wynikających z zapotrzebowania na chłodzenie). Korzyścią wynikającą z tej
cechy jest zmniejszenie strat mocy, a zatem obniżenie kosztów eksploatacyjnych.
Dzięki wprowadzeniu trybu pracy hybrydowej osiąga się wydłużenie czasu pracy autonomicznej
(funkcjonowania w trybie rezerwowym) dla określonego (akceptowalnego) przedziału degradacji
parametrów napięcia sieciowego (bardzo szerokie wejściowe okno napięciowe), co dodatkowo
skutkuje wydłużeniem trwałości eksploatowanych akumulatorów (dzięki częściowemu odciążeniu
pracy akumulatorów przez dostarczanie części energii z sieci o złych parametrach).
Możliwość współpracy z zewnętrznymi panelami zarządzającymi (działającymi na systemie Android),
a także wykorzystania interfejsów komunikacyjnych RS232, RS485, USB, sieciowej karty
zarządzającej SNMP/HTTP, wejść sterujących i programowalnych wyjść bezpotencjałowych –
pozwalają na indywidualny wybór sposobu zdalnego zarządzania UPS-em.
Łatwa i szybka wymiana baterii przez serwis umożliwia znaczne skrócenie czasu obsługi podczas
wymiany akumulatorów, co daje również realne korzyści ekonomiczne.
Uwagi i wnioski
Dzięki wykorzystaniu dodatkowych funkcjonalności UPS uzyskuje się realne oszczędności finansowe
(będące efektem racjonalnego gospodarowania energią), zwiększenie niezawodności (pewności i
poprawności działania) urządzeń, jak również szersze możliwości zarządzania pracą systemu zasilania
wrażliwych odbiorników energii.
Literatura
[1] Bednarek K., Jakość, pewność i właściwa konstrukcja układu zasilania a bezpieczeństwo urządzeń
elektrycznych, Elektro.info, nr 12, 2012, s. 26-31.
[2] Bednarek K.,
Własności
użytkowe
systemów
zasilania
gwarantowanego
(UPS),
Energetyka&Elektrotechnika, nr 1 (23), 2013, s. 16-18.
[3] Bednarek K., Poziom niezawodności a wzrost obciążalności systemów zasilania gwarantowanego (UPS),
Poznan University of Technology Academic Journals, Electrical Engineering, No 78, Poznan 2014, p. 255262.
[4] Wiatr J., Miegoń M., Zasilacze UPS oraz baterie akumulatorów w układach zasilania gwarantowanego, seria
Zeszyty dla elektryków - nr 4, DW MEDIUM, W-wa, 2008.
Opublikowane: Elektro.info, nr 7-8, 2014, s. 62-63.