DOBÓR ZASILANIA BUFOROWEGO W INTELIGENTNEJ

DOBÓR ZASILANIA BUFOROWEGO W INTELIGENTNEJ

mgr inż. Piotr Strzelecki
DOBÓR ZASILANIA BUFOROWEGO W INTELIGENTNEJ INSTALACJI
BUDYNKU JEDNORODZINNEGO
- studium przypadku
W celu lepszego uzmysłowienia praktycznych kryteriów doboru UPS warto przeprowadzić rozważania na
konkretnym przykładzie – poniżej zamieszczono przykład doboru zasilania buforowego w inteligentnej instalacji
budynku jednorodzinnego.
Charakterystyka odbiorów
W instalacji elektrycznej budynku wydzielono obwody dla krytycznych odbiorów (wymagane zasilanie
bezprzerwowe). Z racji dużego rozproszenia odbiorów (duża ilość odbiorników małej mocy o różnych
właściwościach oddziaływania na sieć) wymagane parametry dla zasilania buforowego zebrano na podstawie
pomiarów (jedną z metod). Analizator jakości zasilania monitorował parametry linii podczas symulowanych
stanów pracy systemu automatyki inteligentnego budynku w okresie 48h. Zebrane dane pozwalają na
określenie charakterystyki energetycznej linii krytycznych obiorów:
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
moc czynna średnia: 3300 W
moc czynna maksymalna: 4000 W
moc czynna chwilowa (kilkuokresowa): 4500 W
moc pozorna średnia: 3650 VA
moc pozorna maksymalna: 4800 VA
moc pozorna chwilowa (kilkuokresowa): 5600 VA
minimalny współczynnik mocy: 0,8
maksymalny współczynnik szczytu dla prądu: 1,7
Charakterystyka sieci zasilającej
W celu określenia profilu sieci zasilającej w tej lokalizacji przeprowadzono wywiad z właścicielem obiektu,
sąsiadami oraz dokonano rejestracji parametrów sieci energetycznej w okresie 1 tygodnia.
Z uzyskanych danych wynika:
a)
b)
c)
d)
system zasilania stabilny o zakresie napięć 217 – 229 V AC rms 50 Hz +/– 0,1%
współczynnik zniekształceń harmonicznych < 4%
umiarkowana gęstość zakłóceń impulsowych (przepięć) o amplitudach do 500 V
zdarzają się spontaniczne zaniki (zapewne awarie)
Wymagania dla układu zasilania
a) zapewnić poziom jakości zasilania akceptowalnego przez odbiory
b) czas autonomii > 3 h
Analiza
Stabilność systemu energetycznego zasilającego obiekt jest wysoka. Wartość skuteczna zawiera się w zakresie –
6% do – 1% wartości nominalnej, wahania częstotliwości są pomijalne, niski współczynnik zniekształceń
harmonicznych. Zdarzają się zaniki zasilania i przepięcia.
Podsumowując, można wnioskować, że każda z kategorii zasilaczy spełniłaby w tym wypadku
oczekiwania.
Wariant 1 - Zasilacz VFD
Dostarczy do wyjścia odfiltrowany przebieg wejściowy o niezmienionej wartości skutecznej. Będzie
interweniował pracą bateryjną podczas zdarzających się zaników, co zapewni odbiorom krytycznym
bezprzerwowe zasilanie. Wysoko sprawny.
Zasadniczym problemem jest tu moc, ponieważ jednostki VFD produkowane są zazwyczaj do 1500VA.
Wariant 2 - Zasilacz VI
Dostarczy do linii odbiorów odfiltrowany przebieg wejściowy o skorygowanej wartości skutecznej. Będzie
interweniował pracą bateryjną podczas zdarzających się zaników, co zapewni odbiorom krytycznym
bezprzerwowe zasilanie. Wysoko sprawny.
Wariant 3 - Zasilacz VFI
Dostarczy do linii odbiorów przebieg zasilający o bardzo wysokiej jakości. Będzie interweniował pracą bateryjną
podczas zdarzających się zaników, co zapewni odbiorom krytycznym bezprzerwowe zasilanie. Sprawność
najniższa.
Co jest najlepszym rozwiązaniem w tym przypadku? Oczywiście zasilacz klasy VI, który to rozwiązuje wszystkie
problemy zasilania w tej lokalizacji i do tego cechuje się wysoką efektywnością energetyczną.
Nie ulega wątpliwości, że także dobrym rozwiązaniem jest zastosowanie zasilacza VFI, lecz okupione
jest to dodatkowymi kosztami inwestycyjnymi i eksploatacyjnymi.
Wariant 2 kontra 3, czyli sprawność VI kontra VFI
Należy przyjąć, że optymalnym rozwiązaniem będzie w tym przypadku jednostka UPS o mocy 10 kVA/8 kW,
która toleruje wymagany współczynnik szczytu dla prądu. Dobrym rozwiązaniem jest zastosowanie zasilacza
EVER SINLINE PRO 10 kVA. Średnia sprawność tego urządzenia waha się w granicach 98%. Natomiast średnia
sprawność zasilaczy w klasie VFI to ok. 88%. Cena zakupu VFI jest zazwyczaj wyższa od VI.
Koszty rocznej eksploatacji obu systemów określono przy założeniach:
a) System pracuje 24 h przez 365 dni w roku
b) Koszt całkowity 1 kWh to 0,5 PLN
Dla zasilacza VFI mamy:
(3,3 kW *(1/0,88 – 1) )* 365 * 24 h * 0,5 zł/kWh = 1971 PLN
Dla VI, EVER SINLINE Pro 10 kVA:
(3,3 kW *(1/0,98 – 1) )* 365 * 24 h * 0,5 zł/kWh = 295 PLN
Fot. 1. UPS SINLINE Pro
Koszty energii na eksploatacje systemu VI są ponad 6-krotnie niższe niż w przypadku VFI. Skoro VI rozwiązuje
wszystkie problemy zasilania obiektu, jest tańszy w zakupie i eksploatacji, jest zatem optymalnym
rozwiązaniem zasilania tego obiektu.
VFI kontra VFI
Co wtedy, gdy z racji niestabilnej sieci energetycznej zaistnieje konieczność zastosowania zasilacza w kategorii
VFI? Należy go zastosować, lecz mieć na uwadze, że w tej kategorii oferowane są różne rozwiązania, których
sprawność oscyluje w okolicach średniej rynkowej 88%, oraz takie których sprawność sięga nawet 94%. Okazuje
się, że te kilka procent pozwala zaoszczędzić na eksploatacji całkiem spore kwoty. Załóżmy, że mamy obiekt
podobny do opisanego we wcześniejszym przykładzie, lecz średni poziom mocy odbiorów wynosi tam 7000 W.
Biorąc pod uwagę zasilacz VFI o sprawności 88%, koszt rocznej eksportacji (złożenia identyczne jak wyżej)
wynosi:
(7 kW *(1/0,88 – 1) )* 365 * 24 h * 0,5 zł/kWh = 4181 PLN
Alternatywą jest tu EVER SUPERLINE 10 kVA, którego sprawność osiąga wartość 94%, dla tego przypadku
mamy:
(7 kW *(1/0,94 – 1) )* 365 * 24 h * 0,5 zł/kWh = 1957 PLN
Z powyższych wyliczeń wynika, że kilka procent sprawności wyżej przekłada się na ponad dwukrotnie niższy
koszt eksploatacji. Z racji poziomu mocy i kosztów może okazać się, że wybór nieznacznie tańszego w zakupie
UPS-a o niższej sprawności będzie wyborem nieoptymalnym z punktu widzenia kosztów dodatkowych
wynikających z jego użytkowania. Porównując dłuższy horyzont czasu (3-5 lat) może okazać się że oszczędności
płynące z użytkowania wysokosprawnego urządzenia UPS rekompensują całkowicie
koszty jego zakupu.
Poza sprawnością istnieją inne parametry, które należałoby uwzględnić przy doborze
UPS klasy VFI. Jednym z bagatelizowanych i nie rozważanych jest zdolność do
modulacji prądu zwarcia na odpowiednio wysokim poziomie, umożliwiającym
realizacje właściwej selektywności zabezpieczeń odbiorów. Dlaczego jest to ważne?
Zazwyczaj linia dystrybucji zasilania z UPS posiada wiele odbiorów, z których każdy w
przypadku swojej awarii może wprowadzić zakłócenia w pracy innych. Jednym z
wariantów awarii takiego odbioru jest wprowadzenie zwarcia na linię. W takim
przypadku możliwe są dwa scenariusze.
Fot. 2.UPS SUPERLINE
Scenariusz 1 – UPS bez modulacji prądu zwarcia
Odbiór wprowadzający na linię niską impedancję (zwarcie) jest włączony do niej poprzez zabezpieczenie
2
(bezpiecznik) o wartości 1 A, całce Joule’a 100 A s. Zasilacz UPS nie posiada modulacji prądu zwarcia, wiec
wykrywa nadmierny wzrost prądu na wyjściu i odcina zasilanie wszystkich odbiorów, przechodząc do stanu
2
awaryjnego. Krzywa narastania prądu do prądu krytycznego dała tylko 50 A s, co nie wystarczyło do przepalenia
zabezpieczenia i wyeliminowania wadliwego odbioru.
Scenariusz 2 – UPS z modulacją prądu zwarcia na wysokim poziomie
Podobnie jak w scenariuszu 1 odbiór wprowadzający na linię niską impedancję jest włączony do niej poprzez
2
zabezpieczenie (bezpiecznik) o wartości 1 A , całce Joulea 100 A s. Zasilacz UPS posiada modulację prądu
2
zwarcia i przez czas 10 ms powoduje dostarczenie do zabezpieczenia 100 A s, co powoduje jego zadziałanie.
Czas zakłócenia 10 ms jest za krótki, aby wprowadzić jakieś negatywne oddziaływanie na resztę odbiorów.
System zasilania był zatem w stanie wyeliminować element zakłócający, jakim był uszkodzony odbiór i
kontynuować pracę, nie wyłączając reszty sprawnych krytycznych odbiorów.
W scenariuszu 1 drobne z pozoru zakłócenie pracy systemu przez pojedynczy odbiornik małej mocy
spowodowało odcięcie zasilania na linii krytycznych odbiorów, które powinny być w nieprzerwany sposób
zasilane. Scenariusz 2 opisuje przypadek, gdzie niedoceniana właściwość UPS, jaką jest zdolność do modulacji
wysokich prądów zwarcia, ratuje system przed awarią.