tytuł

podtytuł

Autor

s y s t e m y g w a r a n t o w a n e g o z a s i l a n i a

w w w. e l e k t r o . i n f o . p l

n r 6 / 2 0 0 4

24

w w w. e l e k t r o . i n f o . p l

n r 6 / 2 0 0 4

25

S

tosowanie systemów zasilania
gwarantowanego jest zatem po-

dyktowane względami czysto ekono-
micznymi. Poziom niezawodności za-
stosowanego rozwiązania techniczne-
go powinien być dostosowany do sza-
cowanych kosztów spowodowanych
zanikiem zasilania. Jaka powinna być
niezawodność zasilania? W

tabeli 1

przedstawiono sumaryczne przerwy
zasilania w skali roku, odpowiadające
przyjętej niezawodności zasilania.

W nowoczesnych systemach zasila-

nia gwarantowanego jest realne uzy-
skiwanie niezawodności „dziewięć
dziewiątek” (30 ms/rok) – układy ta-
kie są realizowane przy wykorzysta-
niu szybkich przełączników bezstyko-
wych i stosowaniu redundancji (np.
współpracy dwóch UPS).

struktura systemu

zasilania gwarantowanego

Przy projektowaniu układu zasila-

nia gwarantowanego należy najpierw
ustalić strukturę systemu – czy będzie
rozproszona, czy centralna. Struktura
rozproszona polega na stosowaniu za-
silaczy UPS dedykowanych dla każde-
go odbiornika, natomiast w struktu-
rze centralnej występuje jeden zasilacz
oraz specjalna instalacja, doprowadza-
jąca napięcie gwarantowane do zasila-
nych odbiorników.

Niska żywotność baterii w zasila-

czach systemu rozproszonego wyni-
ka z podwyższonej temperatury we-

wnątrz obudowy – przyrost tempera-
tury o 10°C (w stosunku do wymaga-
nej temperatury 20°C) powoduje skró-
cenie żywotności do 50 %. Problemy
z konserwacją wynikają z utrudnio-
nego dostępu do baterii, umieszczo-
nej najczęściej wewnątrz zasilacza UPS
i dostępnej po wyłączeniu urządzenia
oraz zdjęciu obudowy. O tym, że bate-
ria jest już niesprawna, użytkownik
dowiaduje się często podczas awarii
zasilania, gdy urządzenie wyłącza się
nagle już po kilku minutach pracy.
Realizowane są również warianty po-
średnie – wiele zasilaczy UPS współ-
pracujących z jedną baterią centralną.
Wymaga to wykonania instalacji stało-
prądowej, jednak układ taki jest znacz-
nie korzystniejszy od typowego syste-
mu rozproszonego z uwagi na eksplo-
atację jednej baterii.

parametry zasilacza UPS

Przy doborze zasilacza należy –

oprócz mocy znamionowej – zwró-
cić uwagę na następujące parame-
try techniczne:
a) typ obwodu obejściowego,
b) współczynnik crest-factor,
c) poziom prądu zwarciowego,
d) ładowarkę baterii,
e) możliwość monitorowania pracy

zasilacza i stanu baterii,

f) wartość THD prądu wejściowego.

Ad. a. Obwód obejściowy może

być realizowany przy wykorzystaniu
styczników lub bezstykowego łączni-

ka statycznego (półprzewodnikowe-
go). Łącznik statyczny zapewnia reali-
zację szybkich przełączeń, przy jedno-
czesnym sprowadzeniu prądu w odłą-
czanym obwodzie do zera. Eliminuje
to możliwość powstawania przepięć,
generowanych podczas przerywania
prądu przez stycznik. Na

rysunku 1

są przedstawione przykładowe oscy-
logramy przebiegów podczas przełą-
czania serwisowego (a) i spowodowa-
nego zanikiem napięcia (b).

Górne przebiegi przedstawiają na-

pięcie wyjściowe natomiast dolne
– przebiegi prądów UPS (czerwony)

i obwodu obejściowego (żółty). Przer-
wa przy przełączeniu wymuszonym
nie przekracza zwykle 0,1 ms, nato-
miast przy przełączeniu spowodowa-
nym zanikiem lub nadmiernym obni-
żeniem się napięcia — 6 ms.

Przy zasilaniu przez UPS kilku od-

biorników (

rys. 2), szybkie przełą-

czenie na obwód obejściowy (oraz
duża przeciążalność tego obwodu –
np. 1500 %/ 20 ms) umożliwia bardzo
szybkie odłączenie zwartego obwo-
du i skrócenie do pojedynczych mili-
sekund przerwy w zasilaniu pozosta-
łych obwodów.

nowoczesne systemy zasilania

gwarantowanego – uwagi dla

projektantów

dr inż. Andrzej Baranecki, dr inż. Tadeusz Płatek, mgr inż. Marek Niewiadomski – Politechnika Warszawska ISEP, MEDCOM

Niezawodność zasilania

99 %

99,99 %

99,9999 % 99,9999999 %

Suma przerw w skali roku

ok. 88 h

ok. 53 min

ok. 32 s

ok. 30 ms

Tab. 1 Niezawodność zasilania i suma przerw w skali roku

System rozproszony

System centralny

Zalety

- niski koszt urządzeń,

- łatwość rozbudowy systemu,

- możliwość wykorzystania

standardowej sieci zasilającej

- łatwość monitorowania pracy oraz konserwacji

jednego zasilacza i baterii,

- długi czas podtrzymania pracy przy baterii o dużej

pojemności i programie odłączania (podczas pracy

autonomicznej) mniej ważnych odbiorników,

- możliwość zastosowania klimatyzacji pomieszczenia

z zasilaczem i baterią, przedłużającej okres

eksploatacji systemu

W

ady

- krótki czas podtrzymania pracy

zasilanych urządzeń,

- mała trwałość baterii

w zasilaczach,

- problemy z monitorowaniem

i konserwacją

- większy koszt,

- konieczność wykonania dodatkowej instalacji

napięcia gwarantowanego

Tab. 2 Porównanie systemu rozproszonego i centralnego

Rys. 1 Oscylogramy przebiegów łącznika statycznego

a

b

Wzrastająca liczba odbiorników nieliniowych powoduje coraz większe problemy z jakością

energii elektrycznej. Przegrzewanie się transformatorów, błędne działanie zabezpieczeń,

zwiększone straty przesyłowe mogą być realną przyczyną powstawania przerw w zasilaniu.

Koszty przerwy w zasilaniu, liczone przez EPRI dla warunków amerykańskich, wynoszą –

w zależności od gałęzi przemysłu – od kilkudziesięciu tysięcy do miliona dolarów.

tytuł

podtytuł

Autor

s y s t e m y g w a r a n t o w a n e g o z a s i l a n i a

w w w. e l e k t r o . i n f o . p l

n r 6 / 2 0 0 4

24

w w w. e l e k t r o . i n f o . p l

n r 6 / 2 0 0 4

25

Ad. b. Przy zasilaniu przez UPS od-

biorników nieliniowych istotnym pa-
rametrem zasilacza jest współczynnik
„crest-factor”, określający dopuszczal-
ny stosunek maksymalnej wartości
przebiegu prądu obciążenia do jego
wartości skutecznej (

rys. 3). Przy

przebiegu sinusoidalnym stosunek
ten wynosi 2

1/2

, natomiast przy prą-

dach impulsowych może osiągać war-
tości „2”, „3” lub więcej.

Mimo że wartość skuteczna (I

RMS

)

nie jest przekraczana, zasilacz o nie-
wielkim współczynniku CF może
mieć kłopoty z zapewnieniem wy-
maganego przez odbiornik impulso-
wego przebiegu prądu.

Ad. c. W przypadku konieczności

eliminacji zwarć podczas pracy auto-
nomicznej (przy braku napięcia w sie-
ci zasilającej), obwód obejściowy nie
zostaje włączony, a prąd wyjściowy
jest limitowany możliwościami fa-
lownika. Spotykany często poziom
prądu zwarciowego (2×I

n

) nie wystar-

cza do szybkiego odłączenia zwarcia.
Na oscylogramach (

rys. 4) są przed-

stawione przebiegi napięć i prądów
wyjściowych dla dwóch wariantów

UPS 5 kVA – o prądzie zwarciowym
2×I

n

(a) i prądzie zwarciowym 6×I

n

(b), podczas eliminacji zwarcia w jed-
nym z zasilanych obwodów, zabezpie-
czonym wkładką WTs 10 A (np. układ
z

rysunku 2, lecz przy braku napięcia

w sieci energetycznej).

Przy standardowym prądzie zwar-

ciowym, czas eliminacji zwarcia (brak
zasilania dla pozostałych obwodów)
wynosi powyżej 150 ms, natomiast
przy prądzie zwiększonym do 6×I

n

– poniżej 5 ms. Z uwagi na dopusz-
czalny czas trwania prądu zwarciowe-
go (np. 10 s), UPS o zwiększonym prą-
dzie zwarciowym dopuszcza również
– bez obniżenia napięcia wyjściowego
– rozruch silnika niezakłócający pra-
cy pozostałych odbiorników.

Ad. d. Ładowarka ma za zadanie

doładowanie baterii po okresie pracy
autonomicznej. W systemach o kon-
figuracji centralnej baterią „opiekuje
się” zasilacz, wyposażony w szereg
funkcji, które zapewniają właściwą
eksploatację baterii. Są to m.in. reje-
strator pracy baterii, miernik dozie-
mienia i układ kontrolujący ciągłość
obwodu baterii. Rejestrator pracy ba-
terii oprócz pomiarów i rejestracji pa-
rametrów elektrycznych oraz tempe-
ratury, może określać w przybliżeniu
realną żywotność baterii, wynikającą
z okresu jej eksploatacji w podwyż-
szonych temperaturach oraz z ilości
i głębokości rozładowań. Pozwala to
na określenie terminu wymiany bate-
rii i zapobiega nieoczekiwanym wyłą-
czeniom UPS po bardzo krótkim okre-
sie pracy autonomicznej.

Ładowarka zasilaczy UPS w syste-

mach rozproszonych powinna zapew-

niać odpowiednie parametry ładowa-
nia baterii oraz ewentualnie posiadać
nadmiar mocy umożliwiający w per-
spektywie dołączenie baterii o więk-
szej pojemności.

Ad. e. Dla uzyskania wysokiej nie-

zawodności systemu zasilania po-
winna być zapewniona możliwość
monitorowania pracy zasilacza UPS
oraz – co jest bardzo istotne – aktu-
alnego stanu baterii. W systemach
o konfiguracji centralnej jest monito-
rowana jedna bateria, zasilacz baterii

oraz falownik tak, że służby eksplo-
atacyjne dysponują pełną informa-
cją o stanie systemu. W systemach
rozproszonych zasilacze są z reguły
wyposażone w podstawowy zestaw
sygnalizacji i alarmów, lecz informa-
cje o stanie baterii z reguły nie są do-
stępne. W zasilaczach UPS są insta-
lowane czasami układy testujące ak-
tualną pojemność baterii, przez jej
chwilowe, niewielkie rozładowa-
nie. Jest to – mimo przybliżonej tyl-
ko wartości – informacja pożytecz-

Rys. 2 Szybkie włączanie obwodu obejściowego i odłączenie zwarcia w jednym z zasi-

lanych obwodów

Rys. 4 Przebiegi napięć (górne) i prądów (dolne) UPS 5 kVA podczas eliminacji zwar-

cia w obwodzie zabezpieczonym wkładką WTs 10 A, przy prądzie zwarciowym

a) 2×I

n

oraz

b) 6×I

n

b

a

Rys. 3 Wartości współczynnika „crest-

factor” (CF) dla różnych przebie-

gów prądu

s y s t e m y g w a r a n t o w a n e g o z a s i l a n i a

w w w. e l e k t r o . i n f o . p l

n r 6 / 2 0 0 4

26

Układ przedstawiony na

rysun-

ku 5 jest przystosowany do zasilania
odbiorników nawet przy bardzo dłu-
gich przerwach napięciowych w sie-
ci energetycznej. Do czasu włącze-
nia agregatu, odbiorniki są zasilane
przy wykorzystaniu baterii akumu-
latorów. Układ taki jest również ko-
rzystny dla baterii, gdyż zapobiega
głębokim rozładowaniom, negatyw-
nie wpływającym na jej żywotność.
W układzie na

rysunku 6 jest zasto-

sowana redundancja „1 z 2”. W przy-
padku uszkodzenia się jednego z za-
silaczy całe obciążenie przejmuje za-
silacz sprawny. Układ jest wyposa-
żony w jeden wspólny obwód obej-
ściowy. Dwa zasilacze UPS w pełnej
konfiguracji (

rys. 7) mogą być połą-

czone przy wykorzystaniu dodatko-
wego łącznika statycznego. W przy-
padku uszkodzenia się jednego z za-
silaczy dokonywane jest bezprzer-
wowe przełączenie na zasilacz re-
zerwowy. W przedstawionym ukła-
dzie zasilacze współpracują z jedną
baterią – można oczywiście zasto-

sować dwie lokalne baterie, osobną
dla każdego UPS.

uwagi końcowe

Niezależnie od przedstawionych

wyżej uwag i propozycji układowych
należy pamiętać, że przy dokonywaniu
analizy mocy odbiorników zasilanych
przez UPS, należy – oprócz współczyn-
nika „crest-factor” – uwzględniać prą-
dy występujące podczas rozruchu od-

biorników (w tym jednoczesność roz-
ruchów). W przypadku zasilaczy 3-fa-
zowych, z dołączonymi nieliniowy-
mi odbiornikami 1-fazowymi, należy
uwzględniać konieczność zwiększe-
nia przekroju przewodu neutralne-
go (dwukrotnie większy od przekro-
ju przewodu fazowego). Szczegółowe
informacje o urządzeniach stosowa-
nych w systemach zasilania gwaran-
towanego są dostępne pod adresem:
www.medcom.com.pl

Rys. 6 Dwa zasilacze UPS (redundancja „1 z 2”) ze wspólnym obwodem obejściowym

Rys. 5 Zasilacz UPS wspomagany agregatem prądotwórczym

Rys. 7 System dwóch współpracujących zasilaczy UPS

na, sugerująca ewentualną koniecz-
ność wymiany baterii.

Ad. f. Zasilacze UPS z reguły obcią-

żają sieć energetyczną prądem o prze-
biegu impulsowym. Przy większej
mocy lub większej liczbie zasilaczy
może to powodować znaczne znie-
kształcenie napięcia w lokalnej sieci
zakładowej. Dla utrzymania dopusz-
czalnych wartości THDu w sieci zasi-
lającej, UPS (lub grupa zasilaczy) może
być wyposażony w wejściowy filtr ak-
tywny, ograniczający THDi do warto-
ści np. 10%. Jest to z reguły poziom
wystarczający dla poprawnej pracy in-
nych odbiorników, zasilanych z tej sa-
mej sieci co UPS.

układy o zwiększonej

niezawodności zasilania

Podstawowe układy zasilaczy UPS

mogą być modyfikowane, dla uzyska-
nia zwiększonej niezawodności zasila-
nia. Na

rysunkach 5, 6 i 7 przedstawio-

ne zostały trzy przykładowe układy sys-
temów zasilania gwarantowanego.