UPS przemysłowy. Charakterystyka i dobór przemysłowych zasilaczy UPS

UPS przemysłowy powinien charakteryzować się wysoką sprawnością i oszczędnością, kondycjonowaniem energii, a także pełną kontrolą parametrów zasilania. W obiektach przemysłowych UPS-y muszą zapewnić przede wszystkim niezawodność systemu.

Charakter obciążenia, jaki generują odbiorniki energii elektrycznej wykorzystywane w przemyśle, np. różnego typy maszyny, jest inny niż pochodzący od komputerów czy serwerów, do jakich przeznaczone są standardowe zasilacze UPS. W przemyśle zasila się elementy wykonawcze, np. napędy silnikowe, w których występują duże prądy rozruchowe czy obciążenie indukcyjne, dlatego jedynie przeznaczone do tych celów specjalne UPSy przemysłowe są w stanie skutecznie poradzić sobie z tego typu zjawiskami.

UPS przemysłowy - wymagania

W zależności od rodzaju obiektu przemysłowego wymagania środowiskowe mogą się od siebie znacząco różnić, mimo to warto podać przykłady specyficznych warunków, w których przemysłowe UPS-y powinny prawidłowo funkcjonować:

• wysoka oraz niska temperatura, a także jej zmiany w krótkim czasie,
• duża wilgotność powietrza,
• wysoki stopień zapylenia,
• drgania podłoża (wibracje, wstrząsy),
• kontakt z wodą, brudem i chemikaliami,
• duże prądy rozruchowe zasilanych urządzeń,
• dynamiczne zmiany zapotrzebowania na moc.

Wymagania niezawodności systemu zależą od specyfiki obiektu przemysłowego, ale najczęściej są bardzo wysokie. W szczególnych przypadkach wymagany poziom dostępności zasilania może wynosić nawet 99,995% (czyli do 0,4 h przerw w ciągu jednego roku). Aby osiągnąć taką wartość, konieczne jest zastosowanie dwóch niezależnych linii energetycznych zasilających (najlepiej z dwóch różnych elektrowni) oraz użycie w obiekcie bardzo rozbudowanych rozwiązań zasilania bezprzerwowego (zespoły prądotwórcze oraz zasilacze UPS w redundancji).

Najprostszym rozwiązaniem zwiększającym dostępność zasilania jest użycie redundancji zasilaczy awaryjnych – dwóch lub więcej urządzeń, z których każdy może pokryć 100% zapotrzebowania na moc. Z uwagi na to, że zasilacz UPS jest w stanie zapewnić energię elektryczną jedynie przez kilka, kilkanaście minut (zależy to od liczby łącznej pojemności akumulatorów), jako drugi element stosuje się zespół prądotwórczy (czasem również w redundancji). W przypadku zaniku napięcia podstawowego jako pierwszy reaguje przemysłowy UPS, następnie po czasie zazwyczaj krótszym niż minuta uruchamia się agregat prądotwórczy, dostarczając energię elektryczną do odbiorników oraz ładując akumulatory UPS-a.

Charakterystyka przemysłowych UPS

UPS przemysłowy powinien odznaczać się wysoką sprawnością i oszczędnością oraz kondycjonowaniem energii, a także pełną kontrolą parametrów zasilania. Do najważniejszych norm dotyczących zasilaczy awaryjnych UPS należą:

• PN-EN 62040-1:2009/A1:2013-10 „Systemy bezprzerwowego zasilania (UPS). Część 1: Wymagania ogólne i wymagania dotyczące bezpieczeństwa UPS”;
• PN-EN 62040-3:2005/A11:2009 „Systemy bezprzerwowego zasilania (UPS). Część 3: Metody określania właściwości i wymagania dotyczące badań”;
• PN-EN 62040-2:2008 „Systemy bezprzerwowego zasilania (UPS). Część 2: Wymagania dotyczące kompatybilności elektromagnetycznej (EMC)”;
• PN-EN ISO 9001:2009 „Systemy zarządzania jakością. Wymagania”;
• PN-EN ISO 14001:2005 „Systemy zarządzania środowiskowego. Wymagania i wytyczne stosowania”;
• NEBS GR-63-CORE, strefa 4 (testowanie sejsmiczne).

Bazując na normach w zakresie wykonania UPS, w przypadku wysokich oczekiwań jakościowych powinien to być model opisany w normie PN-EN 62040-3 jako: VFI | SS | 111. Pierwszy człon oznacza technologię, w której wyjście jest niezależne od wartości napięcia oraz częstotliwości napięcia wejściowego (klasa on-line). Drugi człon – SS – oznacza, że napięcie na wyjściu UPS-a jest sinusoidalne, a THDu dla obciążeń liniowych i nieliniowych wynosi <8%. Trzeci zaś to charakterystyka dynamiczna zasilacza awaryjnego – trzy cyfry oznaczają kolejno: właściwości dynamiczne wyjścia przy przełączaniu trybów pracy (np. falownik/by-pass), przy skoku obciążenia liniowego oraz nieliniowego. Cyfra 1 oznacza najlepsze właściwości w opisanych zakresach, czyli bezprzerwową pracę UPS przemysłowego. Cyfra 2 to czas zadziałania do 1 ms, natomiast cyfra 3 – do 10 ms.

W nowoczesnych systemach zasilania gwarantowanego wykorzystuje się jednolity i scentralizowany nadzór nad wieloma UPS-ami oraz innymi urządzeniami uwzględnianymi w ochronie zasilania. Charakterystyczną cechą rozwiązań jest łatwe i wygodne zarządzanie wszystkimi zasilaczami awaryjnymi, pracującymi w sieci na terenie zakładu przemysłowego. W sposób automatyczny generowane są np. przypomnienia o planowanych pracach konserwacyjnych oraz o wymianach baterii. Inteligentne oprogramowanie pozwala na szybkie rozwiązywanie większości problemów, dzięki czemu można zapobiec obniżeniu wydajności systemu zasilania (spadkowi niezawodności).

Nowoczesne UPSy przemysłowe bazują najczęściej na budowie modułowej uwzględniającej kompletne UPS-y w wykonaniu panelowym. Zalety rozwiązań modułowych to możliwość rozbudowy w celu pokrycia zwiększonego zapotrzebowania na moc lub poprawienia niezawodności zasilania. Każdy moduł wyposażony jest we własny procesor CPU (z ang. Central Processing Unit), prostownik, falownik, ładowarkę baterii, baterię, a także by-pass serwisowy oraz panel kontroli i sterowania. Tego typu rozwiązanie charakteryzuje brak pojedynczych punktów awarii, tzw. SPOF (z ang. Single Point of Failure). Większość czynności serwisowych w tego typu modelach UPS wykonuje się w bardzo prosty sposób i w krótkim czasie – uszkodzony moduł zamieniany jest na sprawny, który w najlepszym wypadku może znajdować się nawet na terenie obiektu (jako zapasowy).

UPS przemysłowy jak dobrać?

UPS-y przemysłowe najczęściej muszą być przystosowane do pracy w trudnych warunkach, zaleca się także wykorzystanie modeli wykonanych w technologii podwójnej konwersji.

W przypadku zasilaczy dużej mocy preferowane powinny być modele transformatorowe (przy czym nie jest to warunek bezwzględny) z powodu ryzyka pojawienia się prądu stałego na wyjściu przy użyciu urządzeń wykonanych w technologii beztransformatorowej. Przy mniejszych mocach warto wprowadzić ekonomiczniejsze rozwiązane, jakim są UPS-y beztransformatorowe.

UPS-y dla przemysłu powinny mieć bardzo solidną konstrukcję, która umożliwi ich prawidłowe funkcjonowanie. Do istotnych cech, na które należy zwrócić uwagę przy wyborze UPS-ów przemysłowych można zaliczyć:

• redundancję (możliwość pracy równoległej kilku zasilaczy UPS) – istotna cecha w przypadku wysokich wymagań niezawodności zasilania gwarantowanego,
• możliwość współpracy z zespołem prądotwórczym,
• ochronę przed brudem, kurzem, wodą i wilgocią, którą zapewni odpowiedni stopień ochrony od IP23 do IP54 (gdy istnieje zagrożenie narażenia urządzenia na te czynniki),
• użycie odpornych mechanicznie płyt w konstrukcji obudowy (np. płyty PCB z powlekaniem konforemnym), gdy istnieje zagrożenie mechanicznego uszkodzenia,
• standardowo możliwość pracy w temperaturze otoczenia od ok. 0 do ok. 400˚C, przy czym w przypadku spodziewanych warunków pracy przy niższych lub wyższych temperaturach, należy wybrać wersję urządzenia, które może w nich poprawnie pracować,
• konstrukcja szafy, zapewniająca ochronę przed wibracjami i wstrząsami sejsmicznymi, jeżeli zasilacz UPS będzie narażony na pracę przy (regularnych lub nie) wstrząsach pochodzenia naturalnego bądź sztucznego,
• konstrukcję modułową (elastyczność rozbudowy systemu w przypadku wzrostu mocy zapotrzebowanej),
• monitoring wentylatorów chłodzących (najlepiej w każdym module mocy), gwarantujący szybkie wykrycie zagrożeń i usterek, np. przy zastosowaniu karty SNMP,
• czujnik przeznaczony do monitorowania UPS-a z możliwością zdalnej kontroli temperatury czy wilgotności oraz stanu wbudowanych urządzeń stykowych,
• wysoki współczynnik mocy wyjściowej, powyżej 0,8 (najlepiej gdy jest bliski jedności, co można uzyskać w konstrukcjach beztransformatorowych),
• sprawność powyżej 95%, przy czym w trybie oszczędności energii zaleca się, aby wartość ta wynosiła min. 98%,
• funkcję łagodnego rozruchu (soft start),
• wbudowane wewnętrzne zabezpieczenie przed prądem zwrotnym w przypadku zasilacza beztransformatorowego,
• poziom harmonicznych prądowych na wejściu (THDi) powinien wynosić mniej niż 10%,
• automatyczny przełącznik między obwodami ATS,
• wyłącznik bezpieczeństwa (EPO),
• tolerancję na przeciążenie na falowniku (do 110% w czasie 10 minut, do 120% w 60 s, w trybie akumulatorowym do 125% w czasie 300 ms),
• akumulatory bezobsługowe, preferowana powinna być technologia żelowa (elektrolit uwięziony jest w postaci żelu), która pozwala na lepsze odprowadzanie ciepła wytwarzanego w akumulatorze przy przepływie prądu oraz gwarantuje większą odporność na wibracje i wstrząsy (ważne zwłaszcza w zastosowaniach mobilnych i przenośnych,
• w niektórych przypadkach istotna może być elastyczność w wyborze źródła energii (akumulator lub superkondensator).

Podsumowując, w przypadku niestandardowych warunków środowiskowych, które bardzo często występują w obiektach przemysłowych, należy zastosować przemysłowe UPS, najlepiej w wykonaniu modułowym. Najważniejszym elementem odpowiadającym za niezawodność systemu jest redundancja urządzeń (UPS-ów, zespołów prądotwórczych), oznaczająca niestety znaczne koszty. Dla zapewnienia wysokiej niezawodności systemu istotny jest również monitoring środowiskowy, pozwalający odpowiednio szybko reagować na potencjalne zagrożenia (np. uszkodzenia baterii w systemach UPS, zbyt wysoka temperatura w pomieszczeniu, zakłócenia w sieci zasilającej, pr zekroczenie dopuszczalnej wartości prądu w obwodzie) i zapobiegać powstaniu awarii. Bar dzo istotna jest ponadto automatyzacja reakcji na określone zagrożenia oraz dbałość o przestrzeganie wymaganych przeglądów okresowych i ich terminów, co pozwala minimalizować prawdopodobieństwo awarii.