Zasilanie awaryjne - układy UPS/agregat

Układy agregat prądotwórczy/UPS umożliwiają zasilanie bezprzerwowe, które charakteryzuje się zarówno dobrymi parametrami przełączeniowymi, jak i dowolnie długim czasem podtrzymania. Podczas krótkotrwałej przerwy w zasilaniu, kiedy następuje rozruch agregatu, zapotrzebowanie na prąd jest w pełni pokrywane przez energię zgromadzoną w baterii zasilacza UPS. Przejmuje on rolę źródła zasilania niezwłocznie po zaniku napięcia sieci podstawowej. Po uruchomieniu agregatu energia jest dostarczana przez UPS do odbiornika.

Układ agregat/UPS, zwany również hybrydowym lub tandemem, stanowi pewne źródło zasilania, nawet dla odbiorów o najwyższych wymaganiach. Podstawowym warunkiem jego poprawnej pracy jest umiejętne zaprojektowanie układu przełączającego oraz dobór urządzeń o odpowiednich parametrach. Zagadnieniom związanym z pracą układów agregat/UPS poświęcony jest m.in. artykuł „Working in Harmony: Generator and UPS Compability" autorstwa Johna G. Tracy.

Ekspert firmy Powerware omawia najczęstsze komplikacje, do których może dojść w układach agregat/UPS i sposoby rozwiązywania tych problemów:

• udar prądowy i prądy harmoniczne: większość UPS-ów zawiera układy bateryjne z kontrolą ładowania (prostownik), które powodują gwałtowny pobór mocy z sieci zasilającej (zakład energetyczny, agregat prądotwórczy). Udary tego typu mogą m.in. wprowadzić zakłócenia do pracy automatyki agregatu. W dodatku urządzenia ładujące zwykle powodują odkształcenia prądu pobieranego z sieci zasilającej, co również jest zjawiskiem niepożądanym. Miarą stopnia odchylenia przebiegu prądu pobieranego względem sinusoidy jest tzw. współczynnik zawartości harmonicznych (THD – Total Harmonic Distortion). W wyniku przebiegu prądów harmonicznych w urządzeniach generatorowych mogą powstać straty ciepła (rozgrzanie generatora).
Zawartość harmonicznych (THD) 12-pulsowego prostownika kształtuje się zwykle na poziomie 12 proc. z dominacją jedenastej i trzynastej harmonicznej. Dla 6-pulsowego prostownika THD osiąga wartość 30 proc. z dominacją piątej i siódmej harmonicznej. Współczynnik THD prostownika 12-pulsowego jest z reguły wystarczająco niski, aby uniknąć przegrzewania generatora. Jednakże tego typu prostowniki są coraz rzadziej stosowane w zasilaczach o mocy poniżej 500kVA, ponieważ wymagają przekształtnika wejściowego, co zwiększa rozmiary jednostki, jej masę i koszt.
Producenci zasilaczy UPS rozwiązują z reguły problem przebiegów harmonicznych poprzez użycie właściwie zaprojektowanego filtra pasywnego. W agregatach z kolei stosowane są ograniczenia mocy, związane z nadmiernym wzrostem temperatury pracy generatora. Filtr wejściowy (dla UPS-a), który obniża zawartość harmonicznych poniżej 10 proc. przy pełnym obciążeniu, eliminuje potrzebę obniżania mocy generatora.

• skokowe ładowanie: kiedy agregat jest uruchamiany i następuje przyłączenie UPS-a, wzrost obciążenia może spowodować nagłe wahnięcia częstotliwości i napięcia. Zwykle można uniknąć takiej sytuacji, gdy UPS ma funkcję łagodnego przyłączenia. Oznacza to, że prostownik (z reguły układ tyrystorowy) UPS-a posiada pewne możliwości kontroli przepływu mocy, przez co moc pobierana przez UPS z generatora może być stopniowo zwiększana przez 10-20 sekund.

• wzrost napięcia: powstaje, gdy moc agregatu jest zbytnio zbliżona do mocy UPS-a i kiedy inne obciążenie agregatu jest zbyt małe lub nie występuje. Kiedy UPS jest połączony z agregatem za pomocą układu przełączającego, układ ładujący UPS-a jest wyłączany i następuje proces łagodnego przyłączenia. Jeżeli filtr wejściowy jest jedynym obciążeniem agregatu, może dojść do zbyt dużego wzbudzenia agregatu. Większość układów kontrolnych wzbudzenia nie jest w stanie poradzić sobie z tą nadwyżką, dlatego napięcie rośnie w sposób niekontrolowany do około 120 proc. Wzrost ten jest ograniczany przez cechy konstrukcyjne agregatu – nasycenie magnetyczne.

Większość dostawców agregatów posiada w swojej ofercie urządzenia wstępnie obciążające, które umożliwiają zlikwidowanie efektu skoku napięcia podczas rozruchu układu zasilania awaryjnego. UPS, który odłącza filtr wejściowy w czasie, gdy układ ładujący jest wyłączony, umożliwia uniknięcie powyższych problemów, bez konieczności włączania urządzeń zewnętrznych.

• wahania częstotliwości: agregaty mają ograniczone możliwości kontroli częstotliwości i odpowiedzi na zmianę obciążenia. Główny wpływ na zmiany częstotliwości mają takie czynniki, jak bezwładność mechaniczna wirnika generatora, szybkość odpowiedzi regulatora i reakcja odbiornika na zmiany częstotliwości.

Układ ładujący również ma ograniczone możliwości w zakresie dokładności regulacji swojego zapotrzebowania na moc ze źródła przy zmianach napięcia i częstotliwości. Ponieważ automatyka generatora i automatyka układu ładowania UPS-a podlegają wzajemnemu wpływowi i odpowiadają na zmiany częstotliwości, mogą powstawać niewielkie wahania częstotliwości. Najbardziej zauważalnym efektem tych wahań mogą być pojawiające się alarmy UPS-a świadczące o braku synchronizacji z bypassem. Właściwe zaprojektowanie automatyki sterującej agregatu i UPS-a umożliwiają eliminację wahań częstotliwości. Agregat powinien być wyposażony w czuły regulator, który jest dokładnie dopasowany do układu, w którym pracuje. Regulator napięcia agregatu nie powinien być bardziej czuły niż regulator nadrzędny. W przeciwnym wypadku wystąpi niestabilność w układzie ładowania UPS-a. Automatyka UPS-a powinna być czuła na szybkie zmiany częstotliwości. Układ ładujący UPS-a powinien funkcjonować właściwie z tolerancją zmian częstotliwości powyżej 5Hz/sek.
Nie wszystkie typy UPS-ów mogą działać w warunkach zmiennej częstotliwości bez „sięgnięcia" do energii zgromadzonej w baterii. Zarówno UPS-y typu standby jak i line-interactive korzystają z energii baterii, aby zapobiec wahaniom częstotliwości. To zjawisko jest z punktu widzenia sieci zasilającej pozytywne, bo odtwarza przebieg sinusoidalny. UPS-y typu on-line z podwójną konwersją filtrują wahania częstotliwości w ramach swojej normalnej pracy, wydłużając żywotność baterii.

• synchronizacja z obejściem: niektóre układy wymagają, by UPS synchronizował się z układem obejściowym (tzw. bypassem), w związku z tym szczytowe obciążenie przenosi się na agregat. To zwykle powoduje potrzebę większej stabilności częstotliwości i napięcia generatora, co z kolei może spowodować trudności z integracją systemu. Dostawca UPS-a powinien zwiększyć zakres tolerowanej częstotliwości, jeżeli jest to do przyjęcia dla odbiorników w sieci.

• układ automatycznego przełączania: większość układów agregat /UPS zawiera układ automatycznego przełączania, który przełącza UPS na zasilanie z sieci energetycznej, gdy powróci napięcie. Szybkość tego procesu może stanowić problem i być przyczyną niepowodzenia tego przełączenia. Jeżeli wyłącznik obsługuje także odbiorniki silnikowe (np. występujące w systemach grzewczo-klimatyzacyjnych), filtr wejściowy UPS-a dostarczy do układu dodatkową energię podczas procesu przełączania. Ta dodatkowa energia powoduje przejście odbiorów silnikowych do trybu generatorowego poprzez wykorzystanie energii mechanicznej zgromadzonej w ich wirnikach. Jeżeli przełączenie nastąpi zbyt szybko, powodując nagłą zmianę fazy napięcia, może nastąpić zniszczenia zarówno silników, jak i UPS-a.

Z powyższych uwag wynika, że niezawodne zasilanie awaryjne układem UPS/agregat można zapewnić tylko pod warunkiem zrozumienia procesów zachodzących pomiędzy oddziałującymi na siebie odbiornikami i agregatem prądotwórczym oraz działaniem automatyki sterującej tych urządzeń. Dlatego konfiguracją takich systemów zajmują się specjalistyczne przedsiębiorstwa.

Czytaj więcej na temat systemów zasilania awaryjnego:

Systemy zasilania awaryjnego. Typy układów zasilania awaryjnego.

Zasilacze awaryjne UPS

Zasilanie awaryjne - agregaty prądotwórcze

Zasilanie awaryjne elektrowni oraz stacji transformatorowych

Zasilanie awaryjne - układy specjalizowane