Pewność zasilania. Układy rezerwowego zasilania odbiorców 4.3.1

Transkrypt

1 Pewność zasilania Układy rezerwowego zasilania odbiorców Pewność zasilania

2 Pewność zasilania Układy rezerwowego zasilania odbiorców Prof. Henryk Markiewicz i Dr Antoni Klajn Politechnika Wrocławska Czerwiec 2003 Niniejszy Poradnik został opracowany jako część europejskiego programu edukacyjnego i szkoleniowego Jakość Zasilania Inicjatywa Leonardo (LPQI), wspieranego przez Komisję Europejską (w ramach Programu Leonardo da Vinci) i Międzynarodowe Stowarzyszenie Miedzi. Dla uzyskania bliższych informacji odwiedź stronę LPQI Polskie Centrum Promocji Miedzi Sp. z o.o. (PCPM Sp. z o.o.) Polskie Centrum Promocji Miedzi Sp. z o.o. jest organizacją non-proþt, Þnansowaną przez dostawców miedzi oraz producentów pragnących zachęcić odbiorców do stosowania miedzi i jej stopów oraz promujących ich prawidłowe i efektywne zastosowanie. Działalność Centrum obejmuje zapewnienie technicznego doradztwa i informacji tym, którzy są zainteresowani wykorzystaniem miedzi w jej wszystkich aspektach. Centrum również zapewnia łączność między jednostkami badawczymi a przemysłem wykorzystującym miedź w produkcji oraz utrzymuje bliską łączność z innymi organizacjami zajmującymi się rozwojem miedzi na całym świecie. Europejski Instytut Miedzi (ECI) Europejski Instytut Miedzi jest spółką joint venture Międzynarodowego Stowarzyszenia na Rzecz Miedzi (ICA) i IWCC. ECI, dzięki swoim członkom, zajmuje się w imieniu największych producentów miedzi na świecie i czołowych europejskich producentów - promocją miedzi w Europie. Powstały w styczniu 1996 roku Europejski Instytut Miedzi jest wspierany dzięki sieci dziesięciu Towarzystw Rozwoju Miedzi (CDA) w krajach Beneluksu, we Francji, w Niemczech, Grecji, na Węgrzech, we Włoszech, w Polsce, Skandynawii, Hiszpanii i Wielkiej Brytanii. Towarzystwo rozwija swoją działalność podjętą przez CDA powstałą w 1959 roku oraz dzięki INCRA (Międzynarodowemu Towarzystwu Badań Miedzi) powstałemu w 1961 roku. Zrzeczenie się odpowiedzialności Niniejszy projekt nie musi odzwierciedlać stanowiska Komisji Europejskiej ani nie nakłada na Komisję Europejską żadnej odpowiedzialności. Europejski Instytut Miedzi, Deutsches Kupferinstitut i Polskie Centrum Promocji Miedzi zrzekają się wszelkiej odpowiedzialności za wszelkie bezpośrednie lub pośrednie skutki jak również nie przewidziane szkody, które mogą być poniesione w wyniku użycia informacji lub nieumiejętnego użycia informacji lub danych zawartych w niniejszej publikacji. Copyright European Copper Institute, Deutsches Kupferinstitut and Polskie Centrum Promocji Miedzi. Reprodukcja materiału zawartego w niniejszej publikacji jest legalna pod warunkiem reprodukcji w całości i po dania jej źródła. Promocja LPQI w Polsce prowadzona jest w ramach Polskiego Partnerstwa Jakości Zasilania: Politechnika Wrocławska Akademia Górniczo-Hutnicza Instytut Szkoleniowy Schneider Electric Polska Medcom Sp. z o.o.

3 Pewność zasilania Układy rezerwowego zasilania odbiorców Wstęp Projektowanie elektroenergetycznego układu zasilania, zwłaszcza w przypadku zasilania odbiorców przemysłowych, jest kompromisem pomiędzy niezawodnością zasilania i jakością dostarczanej energii a nakładami na inwestycje i kosztami eksploatacji. Istnieje tu zawsze pewien wybór pomiędzy dążeniem do idealnej jakości użytkowanej energii elektrycznej a rozwiązaniem bardziej oszczędnym, przy czym należy pamiętać, że zgoda na zbyt ubogi wariant wyposażenia układu zasilania i możliwości eksploatacyjnych może skutkować niedostatecznym poziomem niezawodności. Urządzenia elektryczne są zaprojektowane tak, aby pracowały poprawnie w normalnych warunkach zasilania, tj. napięcie zasilające i jego częstotliwość powinny być równe wartościom znamionowym, bądź nie przekraczać dopuszczalnych odchyleń od tych wartości, powinna być zachowana symetria faz, a środowiskowe warunki eksploatacji nie powinny odbiegać od określonych przez producenta. Niedotrzymanie tych parametrów może skutkować zwiększonymi stratami, obniżoną wydajnością odbiornika, bądź nawet jego uszkodzeniem. Znaczne odchylenia parametrów zasilania mogą ponadto powodować przerwy w pracy wskutek działania zabezpieczeń. Zasadniczym parametrem warunkującym poprawną pracę urządzeń jest napięcie, którym są one zasilane. Napięcie na zaciskach urządzenia to napięcie użytkowe, natomiast napięcie zasilania rozumiane przez dostawcę, to napięcie w punkcie zasilania instalacji, np. w złączu. Należy zauważyć, że jakość napięcia użytkowego jest zwykle niższa od jakości napięcia zasilania, wskutek występowania spadków napięcia na impedancjach przewodów obwodów odbiorczych oraz wskutek innych zakłóceń wprowadzanych przez odbiory zasilane z tej instalacji. Dotyczy to w szczególności instalacji zasilających urządzenia o nieliniowych charakterystykach obciążenia. Zakłócenia w pracy urządzeń powodowane przerwami w zasilaniu bądź niedostateczną jakością energii są zawsze niepożądane i mogą mieć różne, czasem bardzo poważne konsekwencje. Przykładowo w szpitalach mogą spowodować przerwę w operacji bądź w procesie intensywnej terapii. W budynkach użyteczności publicznej takich jak kina, teatry, hale wystawowe itp. gdzie jest zgromadzona znaczna liczba ludzi, przerwa w zasilaniu może być przyczyną paniki, a tym samym śmierci lub kalectwa wielu osób. W wielu gałęziach przemysłu, zwłaszcza tam, gdzie ma miejsce ciągły proces technologiczny (przemysł papierniczy, hutnictwo), bądź gdzie odbywa się produkcja oparta o zaawansowaną technologię (półprzewodniki), przerwa w zasilaniu jest przyczyną znacznych strat materialnych i długich przestojów związanych z cyklem wznowienia produkcji. Dla większości odbiorców przemysłowych, bądź wydzielonych grup odbiorników u tych odbiorców, określa się indywidualne warunki dotyczące niezawodności zasilania i jakości energii elektrycznej. Zwykle są to wymogi bardziej zaostrzone niż dla odbiorców zasilanych z sieci komunalnej. Często wymagania te mogą być spełnione przy użyciu stosunkowo prostych środków, takich jak niezależne, własne źródło rezerwowego zasilania bądź układ bezprzerwowego zasilania. Obecnie istnieje bogata oferta dostępnych na rynku różnorodnych urządzeń rezerwowego zasilania, a ich wybór zależny jest od właściwości zasilanego odbiornika oraz od dopuszczalnych tolerancji dotyczących rodzaju, czasu trwania i głębokości spodziewanych zakłóceń. Kategoria Wymagania dotyczące niezawodności I podstawowa Dopuszczalne stosunkowo długie przerwy w zasilaniu, rzędu wielu minut. II średnia III wysoka IV - najwyższa Przerwy w zasilaniu nie powinny przekraczać kilku dziesiątek sekund. Przerwy w zasilaniu nie powinny przekraczać 1 sekundy. Zasilanie bezprzerwowe. Niedopuszczalna jest przerwa w zasilaniu wybranych urządzeń. Możliwe rozwiązanie Zasilanie pojedynczą linią promieniową z sieci elektroenergetycznej. Brak wymogu zasilania rezerwowego. Agregat prądotwórczy. Oświetlenie awaryjne. Dwie niezależne linie zasilające z systemu elektroenergetycznego i system zasilania rezerwowego z pełną automatyką sterowania zasilania rezerwowego. Zasilanie bezprzerwowe ze źródła rezerwowego. Agregat prądotwórczy przystosowany do długotrwałego zasilania. Przykładowi odbiorcy Domy jednorodzinne na terenach wiejskich i w rzadkiej zabudowie miejskiej, nieduże bloki mieszkalne. Wysokie budynki mieszkalne. Duże hotele, szpitale, stacje radiowe i telewizyjne, dworce kolejowe i porty lotnicze. Wybrane odbiory w obiektach wymienionych w kategorii III, np. sale operacyjne szpitali, systemy komputerowe banków, giełdy. Tabela 1. Kategorie odbiorców energii elektrycznej w zależności od stopnia niezawodności zasilania [5] 1

4 Dyspozycyjność D układu zasilania określona jest zależnością: gdzie: t Bi t Fi m n D = i= 1 1 m i= 1 t Bi n t + Fi n i= 1 - czas i tego okresu pracy pomiędzy przerwami zasilania, - czas trwania i tej przerwy zasilania, - liczba okresów pracy pomiędzy przerwami zasilania, - liczba przerw zasilania w rozpatrywanym czasie obserwacji. t Fi Czas trwania przerwy w zasilaniu powinien uwzględniać czas niezbędny do wznowienia przerwanego procesu produkcyjnego, czyli czas upływający od chwili ponownego załączenia zasilania do chwili osiągnięcia pełnej wydajności produkcyjnej. Proces ponownego uruchomienia produkcji po wystąpieniu przerwy w zasilaniu wymaga określonego czasu i zwykle trwa on przez pewien czas, ponieważ może być powiązany określoną sekwencją z innymi, wcześniejszymi cyklami produkcyjnymi, co znacznie wydłuża czas ponownego osiągnięcia pożądanej wydajności. Na rys. 1 zilustrowano możliwy scenariusz takiego procesu, gdzie: t a czas przerwy w zasilaniu, t ae zastępczy czas przerwy w zasilaniu określony na podstawie kosztów strat produkcyjnych, t s czas niezbędny do uruchomienia procesu technologicznego, E e standardowa wydajność rozpatrywanego procesu. Typowy, rzeczywisty czas przerwy w zasilaniu ma przebieg przedstawiony na rys. 1, gdzie czas przerwy (t a ) jest powiększony o czas (t s ), odpowiadający scałkowanej, zakreskowanej powierzchni. Z drugiej strony koszt przerwy w zasilaniu nie zawsze jest wprost proporcjonalny do czasu trwania przerwy, co ilustruje kilka przykładowych przebiegów na rys. 2. Pierwszy z nich (przebieg 1, rys. 2) to sytuacja, gdy koszty strat zawierają składnik stały, niezależny od czasu trwania przerwy w zasilaniu. Przykładem może tu być produkcja papieru, w której masa papierowa jest zamieniana w papier w efekcie wielokrotnego walcowania i kolejnych faz suszenia, wymagających stałego sterowania naciągiem uzyskiwanej taśmy papieru. Awaria procesu sterowania powoduje zatrzymanie procesu oraz konieczność usunięcia i likwidacji masy znajdującej się wewnątrz unieruchomionych maszyn czynność wymagająca wielu roboczo-godzin pracy. W takim przypadku koszty strat są wysokie i jedynie w niewielkim stopniu zależne od czasu trwania przestoju. Innym przykładem zależności kosztów strat od czasu przestoju jest krzywa 2 na rys. 2, ilustrującej handel detaliczny produktami nie ulegającymi łatwemu zepsuciu. Początkowe koszty strat są w tym przypadku niewielkie i rosną w przybliżeniu proporcjonalnie do czasu trwania przerwy w zasilaniu. Lina 3 na rys. 2 reprezentuje koszty strat w przypadku awarii zasilania w systemie przetwarzania danych. Taki obiekt posiada zwykle rezerwowe źródło zasilania bezprzerwowego (UPS), które przejmuje obciążenie w początkowym okresie po wystąpieniu awarii. Stąd początkowe koszty strat są niewielkie. Jeśli jednak (1) Rys. 1. Przebieg wydajności produkcji podczas wystąpienia przerwy w zasilaniu. (Opis oznaczeń w tekście). Rys. 2. Typowe charakterystyki zależności kosztów przerw w zasilaniu od czasu ich trwania. 2

5 czas awarii zasilania podstawowego przekracza maksymalny czas zasilania rezerwowego należy przeprowadzić awaryjne zachowanie posiadanych informacji i przerwać bieżącą obsługę systemu. W takiej sytuacji koszty awarii gwałtownie rosną, co ilustruje skokowa zmiana krzywej 3 na rys. 2. Powrót do stanu wyjściowego po przywróceniu zasilania podstawowego powoduje dodatkowy wzrost kosztów awarii. Inny przebieg krzywej kosztów braku zasilania, której przykładem może być ferma drobiu, ilustruje krzywa 4 (rys. 2). Krótki czas przerwy, zwykle do kilku bądź kilkunastu minut, nie powoduje jeszcze strat. Jeśli natomiast przerwa jest dłuższa, wówczas straty spowodowane brakiem wentylacji i uduszeniem się drobiu gwałtownie rosną, proporcjonalnie do czasu utrzymywania się przerwy w zasilaniu. Przedstawione scenariusze, choć reprezentują różne rodzaje procesów produkcyjnych, mają kilka cech wspólnych. Po pierwsze, jeśli czas trwania przerwy w zasilaniu osiągnie pewną krytyczną wartość, to koszty strat ponoszonych przez odbiorcę mogą osiągnąć wartość stawiającą pod znakiem zapytania opłacalność produkcji. Po drugie przerwa w zasilaniu i jej skutki mogą powodować niezadowalającą jakość usług świadczonych przez odbiorcę dla swych klientów, a tym samym być przyczyną utraty zaufania w przyszłości. Odnosi się to w szczególności do zasilania odbiorców prowadzących produkcję czy świadczących usługi w systemie just in time, jak np. druk prasy, gdzie cykl opracowania, pisania, druku i rozprowadzania trwa krótko, od jednego do kilku dni. Urządzenia zasilania rezerwowego Wstęp Do istotnych parametrów urządzeń zasilania rezerwowego zalicza się: moc i ilość zgromadzonej energii, czas przełączenia, czyli czas upływający od chwili zaniku napięcia na źródle zasilania podstawowego do chwili zasilenia odbiorów ze źródła rezerwowego, maksymalny czas trwania zasilania rezerwowego, sprawność, koszty instalacji i utrzymania. Idealnym źródłem zasilania rezerwowego byłoby takie, które ma nieograniczony zasób energii, dostatecznie dużą moc, zerowy czas przełączania, nieograniczony czas zasilania rezerwowego i niskie koszty eksploatacji. Ponieważ źródło takie nie istnieje, rozwiązania praktyczne polegają na wyborze określonych kompromisów. Wybór parametrów urządzenia zależy od rodzaju obiektu i dostarczonych założeń. Przykładowo urządzenia przetwarzania danych wymagają rzeczywistego bezprzerwowego zasilania, tj. zerowego czasu przełączania, aby zapobiec utracie danych. Innym wymaganiem może być określony, minimalny czas pracy awaryjnej urządzenia z zerowym czasem przełączania, przykładowo 20 minut, po czym zasilanie rezerwowe powinno być zapewnione przez inne źródło zasilania zdolne do pracy przez znacznie dłuższy czas. Pierwszym z tych urządzeń może być przykładowo UPS z zerowym czasem przełączania, podczas gdy funkcję drugiego może spełniać agregat prądotwórczy wyposażony również w UPS niezbędny do rozruchu silnika agregatu. Całkowicie odmienne założenia, co do zasilania rezerwowego, należy spełnić w przypadku odbiorców przemysłowych o dużej mocy zainstalowanych urządzeń. Przykładowo w fabryce papieru moc zainstalowanych silników elektrycznych jest na tyle duża, że zasilanie rezerwowe przy pomocy układu UPS nie zapewniłoby ciągłości produkcji w racjonalnie uzasadnionym okresie czasu. Dlatego w takich przypadkach niezbędna jest realizacja zasilania rezerwowego przy pomocy niezależnej linii elektroenergetycznej. Przedmiotem tego rozdziału jest omówienie metod i urządzeń zasilania rezerwowego, których wykaz zawarto w tabeli 2 i przedstawiono graþcznie na rys. 3. Ponadto tabela 2 zawiera porównawcze zestawienie parametrów omawianych układów. Niezależna linia elektroenergetyczna Rezerwowe zasilanie przy pomocy niezależnej linii elektroenergetycznej stsowane jest w przypadkach odbiorców pobierających znaczne wartości mocy, gdzie ma miejsce ciągły proces technologiczny, a koszty budowy dodatkowej linii są ekonomicznie uzasadnione. Przykładem takich odbiorców mogą być zakłady papiernicze lub stalownie. Przez niezależną linię elektroenergetyczną rozumie się rozwiązanie, w którym awaria, np. zwarcie występujące na jednej z linii nie powoduje równoczesnego wyłączenia drugiej, a wyłączenie obydwu z nich jest sytuacją bardzo mało prawdopodobną. Oceny takiej należy dokonać w oparciu o topologię układu zasilania, a właściwe rozwiązanie wymaga niejednokrotnie budowy długiej, a tym samym kosztownej, linii elektroenergetycznej. 3

6 Zastosowanie drugiej, niezależnej linii elektroenergetycznej nie oznacza, że nie zachodzi potrzeba zastosowania innego, dodatkowego urządzenia zasilania rezerwowego. Znaczna liczba zaburzeń napięcia zasilającego to zapady powodowane zwarciami w systemie. Ze względu na krótkotrwały i przemijający charakter tych zakłóceń, niejednokrotnie uzasadnione jest instalowanie innych urządzeń poprawiających jakość napięcia zasilającego. Roli takiej nie może natomiast spełniać rezerwowa linia zasilająca, która zasadniczo służy do przejęcia obciążenia na dłuższy okres czasu. Agregaty prądotwórcze Agregaty prądotwórcze składają się z jednego bądź większej liczby wysokoprężnych silników spalinowych będących źródłem energii mechanicznej, generatora służącego do zamiany energii mechanicznej na elektryczną, regulatorów prędkości kątowej, układu sterowania i rozdzielnicy elektrycznej. Urządzenia te są przystosowane do stosunkowo długiego czasu pracy, zwykle od kilku godzin do kilku dni, a w niektórych przypadkach nawet do pracy ciągłej. Agregaty prądotwórcze są dostępne w szerokim zakresie mocy znamionowych, przeciętnie od kilku kw do kilku MW. Większe jednostki, o mocach kilku MW i większych mogą być napędzane turbinami gazowymi i są stosowane również do pokrywania dobowych szczytów obciążenia w systemie elektroenergetycznym. Rodzaj metody/ urządzenia rezerwowa, niezależna linia zasilająca z sieci el.-en. agregat prądotwórczy praktycznie nieograniczony od długiego do bardzo krótkiego Zasób mocy Czas przełączenia Koszt instalacji nieograniczony bardzo krótki bardzo wysoki od średniego do wysokiego baterie akumulatorów średni bardzo krótki niski układy zasiania średni bardzo krótki średni do wysokiego bezprzerwowego (UPS) kompresyjne zasobniki energii niski do średniego bardzo krótki średni do wysokiego Tabela 2. Porównanie podstawowych właściwości urządzeń i metod rezerwowego zasilania. Rys. 3. Rodzaje urządzeń zasilania rezerwowego Agregaty prądotwórcze znajdują również szereg innych, specjalnych zastosowań jako źródło energii elektrycznej w miejscach gdzie nie ma dostępu do sieci elektroenergetycznej, jak to ma miejsce np. na statkach. Innym szczególnym zastosowaniem agregatów jest zasilanie urządzeń pobierających krótkotrwale, lecz jedynie raz na jakiś czas znaczną wartość mocy, jak to ma miejsce np. przy oświetleniu stadionów podczas zawodów sportowych. Zastosowania takie nie będą omawiane w tej części poradnika. Agregaty prądotwórcze mogą posiadać dwa różne rozwiązania, oznaczone tu umownie jako grupa I i grupa II. Grupa I to agregaty, których uruchomienie następuje w chwili wystąpienia awarii (rys. 4 a, b). Do rozruchu silnika wysokoprężnego używana jest zwykle bateria akumulatorów. Czas przełączenia ma w tym rozwiązaniu znaczne wartości i jest równy czasowi upływającemu od chwili wystąpienia przerwy w zasilaniu do chwili osiągnięcia przez generator pełnej gotowości do obciążenia. W najprostszych rozwiązaniach agregaty są załączane ręcznie (rys. 4a). Obecnie jednak większość agregatów prądotwórczych zainstalowanych jako źródło zasilania rezerwowego jest załączana automatycznie 4

7 1 silnik spalinowy z rozrusznikiem, 2 sprzęgło, 3 generator, 4 rozdzielnica, 5 koło zamachowe, 6 - silnik elektryczny do napędu generatora i koła zamachowego: a) z rozruchem ręcznym, b) z rozruchem automatycznym z czasami przełączenia od kilku sekund do ok. 180 s, c) i d) z kołem zamachowym, przy czasach przełączenia odpowiednio 0,5 2 s i bezprzerwowo. Rys. 4. Różne układy agregatów prądotwórczych. (rys. 4b), przy czym typowe czasy przełączania zawierają się w zakresie od 6 do 15 sekund dla małych jednostek, do ok. 180 s dla jednostek o znacznej mocy. W wielu rozwiązaniach silniki spalinowe agregatów są w sposób ciągły podgrzewane podczas postoju do temperatury roboczej, w celu skrócenia czasu trwania rozruchu, a tym samym czasu przełączenia oraz zdolności do przejęcia pełnej mocy znamionowej w bardzo krótkim czasie. Grupa II to agregaty o znacznie krótszych czasach przełączania: od ok. 2 s (rys. 4c) do przełączenia bezprzerwowego (rys. 4d). Układy te są wyposażone w koła zamachowe o znacznej masie, połączone na stałe z wirnikiem generatora. W normalnych warunkach zasilania generator i koło zamachowe są stale napędzane przez silnik elektryczny z prędkością równą prędkości synchronicznej maszyny. W rozwiązaniu z rys. 4.c, a silnik pokrywa jedynie straty biegu jałowego generatora i koła zamachowego. W chwili przerwy w zasilaniu podstawowym następuje automatyczne połączenie koła zamachowego z silnikiem spalinowym poprzez sprzęgło elektromagnetyczne. Dzięki energii mechanicznej zgromadzonej w kole zamachowym następuje szybki rozruch silnika, który zaczyna napędzać generator. Czas upływający od chwili rozruchu silnika spalinowego do gotowości generatora do obciążenia jest krótki i zawiera się w zakresie od 0,5 s do 2 s. W układzie widocznym na rys. 4d, w normalnych warunkach pracy odbiory są zasilane nie z sieci lecz z generatora, który jest napędzany przez silnik elektryczny o odpowiednio dużej mocy, zasilany z sieci. W przypadku przerwy w zasilaniu z sieci sprzęgło elektromagnetyczne łączy koło zamachowe z silnikiem spalinowym, który przejmuje napęd generatora. Odbiory zasilone są praktycznie bezprzerwowo, jedynie z niewielkim możliwym do wystąpienia obniżeniem napięcia w chwili przejmowania obciążenia przez silnik spalinowy. Na rys. 5 przedstawiono różne możliwe rozwiązania układu z kołem zamachowym z rys. 4c i 4d. 1 silnik spalinowy lub turbina 2 sprzęgło elektromagnetyczne 3 koło zamachowe 4 generator synchroniczny przystosowany również do pracy jako silnik 5 generator 6 silnik elektryczny Rys. 5. Rozwiązania agregatów prądotwórczych wyposażonych w koła zamachowe z zerowym czasem przełączania. a) z generatorem pracującym w normalnych warunkach zasilania jako silnik b) z generatorem napędzanym przez silnik elektryczny c) z generatorem napędzanym w normalnych warunkach pracy przez maszynę silnik/generator. Obciążenie 1 część obciążenia zasilanego bezprzerwowo, Obciążenie 2 część obciążenia, dla którego dopuszczalna jest krótka przerwa w zasilaniu podczas przełączania na zasilanie rezerwowe z maszyny silnik/generator lub powrotu do zasilania z sieci. 5

8 Odpowiednio zaprojektowane i dobrane agregaty prądotwórcze spełniają dobrze większość wymagań stawianych układom rezerwowego zasilania, włącznie z zasilaniem bezprzerwowym. Właściwy dobór parametrów generatora, przede wszystkim jego mocy i impedancji wewnętrznej zapewnia dobrą jakość dostarczanej energii elektrycznej. Z drugiej strony agregaty, zwłaszcza te o większych mocach znamionowych, mają również swoje wady. Głośna praca (średnio db), znaczne masy i duże rozmiary, odpowiedniej wielkości zbiornik paliwa, układ zasilania powietrzem i układ wydechowy wszystko to powoduje, że urządzenia te powinny być instalowane w osobnych budynkach, z dala od budynków mieszkalnych bądź miejsc pracy ludzi. Baterie akumulatorów Baterie akumulatorów, to najczęstsze źródło zasilania stosowane w elektronicznych układach UPS jak również w niektórych rozwiązaniach opisanych wyżej agregatów prądotwórczych jako źródło energii do rozruchu silników spalinowych i do sterowania układów automatyki. Są one również szeroko stosowane jako autonomiczne źródła rezerwowego zasilania niektórych obwodów, takich jak oświetlenie awaryjne, sprzęt bezpieczeństwa i układy telekomunikacyjne. Baterie akumulatorów są często stosowane do zasilania odbiorników prądu stałego bądź odbiorników, które mogą być zasilane zarówno prądem stałym jak i przemiennym, np. źródła światła. Baterie akumulatorów stosowane do zasilania odbiorników prądu przemiennego są wyposażane w układy falownikowe. Przykładem innego zastosowania baterii akumulatorów są bateryjne zasobniki energii instalowane niekiedy w sieci rozdzielczej średniego napięcia i służące do pokrywania niedoborów mocy w dobowych szczytach obciążenia. Ten przykład zastosowania baterii akumulatorów nie jest jednak omawiany w tym poradniku. Układy baterii akumulatorów jako autonomiczne źródła rezerwowego zasilania funkcjonują zwykle według dwóch sposobów działania. Pierwszy z nich polega na przełączeniu odbiorów na zasilanie bateryjne po zaniku napięcia źródła podstawowego (rys. 6a). W rozwiązaniu drugim obciążenie jest stale zasilane z baterii akumulatorów, która w sposób ciągły jest doładowywana z sieci podczas normalnego stanu pracy (rys. 6b). a) układ z łącznikiem S b) układ bezprzerwowego zasilania 1 zasilanie z sieci w normalnym stanie pracy 2 zasilanie rezerwowe z baterii akumulatorów Rys. 6. Różne rozwiązania zasilania odbiorników prądu stałego z użyciem układów prostownikowych i baterii akumulatorów jako źródła rezerwowego W układzie na rys. 6a odbiory prądu stałego w normalnych warunkach pracy są zasilane z sieci poprzez prostownik, podczas gdy bateria akumulatorów jest stale doładowywana poprzez odrębny układ prostownikowy. W chwili zaniku napięcia na źródle zasilania podstawowego, lub gdy to napięcie odbiega od dopuszczalnych tolerancji, odbiory są przełączane na zasilanie z baterii przy pomocy łącznika S z krótkim, lecz większym od zera czasem przełączenia. Tego rodzaju układy rezerwowego zasilania są przykładowo stosowane w instalacjach oświetlenia awaryjnego i oświetlenia bezpieczeństwa. W układach z rys. 6b odbiory prądu stałego są podłączone bezpośrednio do układu prostowniczego równolegle z baterią akumulatorów. Podczas normalnego stanu pracy prostownik zasila odbiory oraz w sposób ciągły doładowuje baterię. W przypadku braku napięcia sieci odbiory zasilane są bezpośrednio z baterii. Czas przełączenia jest zerowy, dlatego takie rozwiązanie jest stosowane w układach, w których niedopuszczalne są najkrótsze nawet przerwy w zasilaniu, np. w zasilaniu sprzętu komputerowego. Układy tego typu są obecnie stosowane w wielu urządzeniach powszechnego użytku wymagających podtrzymania zasilania jak np. odtwarzacze video czy odbiorniki radiowe z funkcją budzenia w celu poprawy ich funkcjonalności i komfortu użytkowania. Zerowy czas przełączania jest podstawową zaletą tych układów. Jednak niezawodność układu z rys. 6a jest wyższa w porównaniu z układem z rys. 6b, ponieważ bateria w układzie pierwszym jest zasilana poprzez niezależny prostownik. Sprawność baterii akumulatorów jako źródeł rezerwowego zasilania jest szacowana w zakresie 90-97%. 6

9 Pojemność baterii powinna być wystarczająca do zasilania odbiorów aż do powrotu napięcia sieci lub na cały wymagany czas ewakuacji bądź na założony czas trwania akcji ratowniczej. Ponieważ czas ładowania baterii znacznie przekracza czas jej rozładowania, dlatego cykl pracy takich układów jest stosunkowo krótki w porównaniu z wymaganym czasem ponownego ładowania. Czas ładowania całkowicie rozładowanej baterii nie powinien przekraczać 6 godzin. Oświetlenie rezerwowe ma szczególne znaczenie w niektórych budynkach użyteczności publicznej, takich jak np. hale wystawowe i sportowe, teatry, kina, duże budynki biurowe itp. Instalacje projektowane do zasilania oświetlenia awaryjnego, jako rozwiązanie standardowe mają przewidziane zasilanie rezerwowe. Sale operacyjne w szpitalach mają podobne, choć bardziej zaostrzone wymagania co do rezerwowego zasilania oświetlenia. Źródła światła w oświetleniu awaryjnym są często tak dobrane, aby mogły być zasilane zarówno napięciem przemiennym ja i stałym, a ciągłość zasilania jest warunkiem znacznie ważniejszym od jakości energii elektrycznej. Przykładowy układ oświetlenia awaryjnego przedstawiono na rys. 7. Rys. 7. Układ zasilania odbiorników, które mogą pracować zarówno na napięciu przemiennym jak i stałym; bateria akumulatorów jest rezerwowym źródłem zasilania; przełączenie następuje z krótkim czasem przerwy. Układy zasilania bezprzerwowego (UPS) KlasyÞkacja układów UPS Układy UPS są obecnie powszechnie stosowane jako źródła zasilania rezerwowego przede wszystkim tam, gdzie czas przełączania powinien być bardzo krótki bądź zerowy. Statyczne układy UPS są obecnie produkowane w szerokim zakresie mocy znamionowych od 200 VA do 50 kva (układy jednofazowe) i od 10 kva do około 4000 kva (układy trójfazowe). Chociaż podstawowym zadaniem UPS jest rezerwowe zasilanie, niektóre z tych układów są również stosowane do lokalnej poprawy jakości energii elektrycznej. Sprawność układów UPS jest bardzo wysoka: straty mocy zawierają się od 3% do 10 %, zależnie od liczby przekształtników i rodzaju zastosowanej baterii akumulatorów. Podstawowa klasyþkacja układów UPS jest określona w normie IEC opublikowanej w roku 1999, przyjętej przez CENELEC jako norma EN [1]. Norma rozróżnia trzy klasy układów UPS, przy czym za podstawę klasyþkacji przyjęto wzajemną zależność wartości napięcia wyjściowego i jego częstotliwości od parametrów napięcia na wejściu układu: VFD (output Voltage and Frequency Dependent from mains supply) - wartość i częstotliwość napięcia wyjściowego są zależne od parametrów napięcia zasilajacego VI (output Voltage Independent from mains supply) wartość napięcia wyjściowego jest zależna od parametrów napięcia zasilajacego VFI (output Voltage and Frequency Independent from mains supply) wartość i częstotliwość napięcia wyjściowego są niezależne od parametrów napięcia zasilajacego. W praktyce ta klasyþkacja odpowiada innemu podziałowi układów UPS, uwzględniającego ich strukturę wewnętrzną: układy o biernej gotowości (passive standby) układy liniowo interaktywne (line interactive) układy o podwójnej konwersji (double conversion). Podstawowe właściwości trzech wymienionych rozwiązań układów UPS wraz z ich krótkim opisem zawarto w tabeli 3. KlasyÞkacja wg VFD VI VFI EN Układy o biernej gotowości Układy liniowo interaktywne Układy o podwójnej konwersji Koszt niski średni wysoki Regulacja napięcia brak ograniczona tak Regulacja częstotliwosci brak brak tak Czas przełączenia krótki zero zero Tabela 3. KlasyÞ kacja i podstawowe właściwości znormalizowanych klas układów UPS 7

10 Układy UPS o biernej gotowości (VFD) W tym rozwiązaniu UPS (rys. 8) rozróżnia się dwa tryby pracy. W trybie pracy normalnej, tj. przy zasilaniu ze źródła podstawowego, odbiory zasilane są bezpośrednio z sieci (1, rys. 8), opcjonalnie poprzez układ Þltrująco-kondycjonujący mający na celu eliminację składowych przejściowych w napięciu wejściowym i stabilizację jego wartości. Bateria akumulatorów jest stale doładowywane poprzez prostownik (2, rys. 8). W trybie zasilania rezerwowego odbiory są zasilane z baterii akumulatorów poprzez falownik (3, rys. 8). Przełączenie z trybu pracy normalnej do trybu zasilania rezerwowego następuje poprzez przełączenie łącznika S (rys. 8), gdy parametry napięcia sieci wykraczają poza dopuszczalne tolerancje zmian. Rozwiązanie takie wymaga określonego czasu przełączenia, który jest zwykle bardzo krótki, lecz jego wartość nie jest znormalizowana. Typowy czas zasilania rezerwowego tych układów wynosi 3 godziny, podczas gdy ponowne, pełne naładowanie baterii akumulatorów trwa 6 godzin. Opisane rozwiązanie jest najprostszym układem UPS, o zwartej budowie i stosunkowo niskiej cenie. Do jego wad należy zaliczyć brak separacji odbiorników od zakłóceń napięcia sieci oraz brak możliwości regulacji wartości napięcia wyjściowego i jego częstotliwości. Niezerowy czas przełączenia zasilania ze źródła podstawowego na rezerwowe oznacza, że istnieje krótka, lecz określona przerwa zasilania podczas zmiany trybu pracy z normalnego na rezerwowy, przez co rozwiązania te nie nadają się do stosowania w wielu instalacjach, w szczególności w systemach informatycznych. Rys. 8. Schemat blokowy ilustrujący budowę i zasadę działania układu UPS o biernej gotowości (VFD). S łącznik, B bateria akumulatorów, 1 tryb pracy w normalnych warunkach zasilania, 2 ładowanie baterii akumulatorów w normalnych warunkach pracy, 3 tryb zasilania rezerwowego. Układy liniowo interaktywne (VI) Topologię układu liniowo-interaktywnego przedstawiono na rys. 9. Przekształtnik jest układem dwukierunkowym, tj. działa on jako prostownik do ładowania baterii akumulatorów w trybie pracy normalnej, bądź jako falownik w trybie zasilania rezerwowego, gdy parametry napięcia sieci wykraczają poza dopuszczalne tolerancje zmian. Wyróżnia się trzy tryby pracy UPS liniowo interaktywnego. W trybie pracy normalnej odbiory zasilane są poprzez łącznik statyczny, energią kondycjonowaną. Przekształtnik pracuje równocześnie jako układ kondycjonujący napięcie wyjściowe i ładujący baterię akumulatorów. Częstotliwość wyjściowa jest równa częstotliwości sieci zasilającej. W trybie pracy awaryjnej odbiory są zasilone z baterii akumulatorów poprzez przekształtnik pracujący jako falownik. Łącznik statyczny jest wówczas otwarty, aby odciąć drogę przepływu energii z Rys. 9. Struktura liniowo interaktywnego(vi) układu UPS z pojedynczym przetwarzaniem energii. 1 pętla sterowania modulacją fazy i amplitudy, 2 pętla sterowania ładowaniem baterii akumulatorów. powrotem do sieci. Układy te mogą być wyposażone ponadto w połączenie obejściowe (by pass), co daje możliwość trzeciego trybu pracy, czyli zasilenia bezpośrednio z sieci. Połączenie takie jest wykorzystywane sporadycznie, w sytuacjach awarii układu UPS lub w przypadku jego konserwacji bądź przeglądu. Układy liniowo interaktywne są rozwiązaniami tańszymi od omówionych dalej układów o podwójnej konwersji, lecz posiadają także określone wady. Nie jest w nich możliwa regulacja częstotliwości napięcia wyjściowego, a separacja od zakłóceń napięcia wejściowego takich jak przebiegi przejściowe i przepięcia jest ograniczona. Możliwość kondycjonowania parametrów energii odbiornika jest również ograniczona ze względu na topologię układu, w której główne źródło zasilania jest bocznikowane układem kondycjonującym. Jednym z możliwych rozwiązań liniowo interaktywnego UPS jest tzw. układ DELTA, przedstawiony na rys

11 UPS typu DELTA jest wyposażony w dwa przekształtniki DC/ AC (rys. 10): przekształtnik delta (1) i przekształtnik główny (2). Obydwa przekształtniki są podłączone do jednej baterii akumulatorów (B). Moc znamionowa przekształtnika delta jest dobrana na ok. 30 % mocy odbiornika, natomiast moc przekształtnika głównego jest równa 100 % mocy odbiornika. Przekształtnik delta jest podłączony do uzwojenia wtórnego transformatora (Tr), którego uzwojenie pierwotne jest połączone szeregowo pomiędzy sieć zasilającą a wyjście UPS. Przekształtnik główny (2) jest stabilizowanym źródłem napięciowym utrzymującym zadaną wartość amplitudy i kształtu napięcia w punkcie bilansowania energii (PBP, rys. 10). Napięcie Rys. 10. Schemat blokowy UPS typu DELTA. na pierwotnym uzwojeniu transformatora jest więc równe różnicy pomiędzy rzeczywistym napięciem sieci na wejściu UPS 1, 2 przekształtniki, a zadaną wartością napięcia w punkcie PBP. Napięcie uzwojenia pierwotnego steruje napięciem uzwojenia wtórnego. S łącznik połączenia obejściowego (by pass), Tr transformator, Zadaniem przekształtnika delta jest wymuszenie takiego B bateria akumulatorów, przepływu prądu w uzwojeniu wtórnym transformatora, aby PBP punkt bilansowania energii. w jego uzwojeniu pierwotnym wyindukować prąd o wartości, kompensującej różnicę pomiędzy napięciem na wejściu układu i napięciem w punkcie PBP. Ponadto przekształtnik delta koryguje współczynnik mocy utrzymując jego wartość w pobliżu 1, a przekształtnik główny kompensuje wyższe harmoniczne w prądzie obciążenia. W ten sposób prąd pobierany przez układ UPS z sieci ma przebieg sinusoidalny i jest w fazie z napięciem zasilającym. Pięć charakterystycznych trybów pracy UPS typu DELTA przedstawiono na rys. 11. W normalnym stanie pracy, gdy napięcie sieci zasilającej jest równe zadanej wartości napięcia w punkcie PBP, napięcie na uzwojeniu pierwotnym transformatora (Tr) jest równe zeru (rys. 11a). Obydwa przekształtniki (1) i (2) są włączone lecz nie są obciążone, a odbiornik jest zasilany energią płynącą bezpośrednio z sieci. W przypadku odbiorników pobierających moc bierną lub odbiorników o charakterystykach nieliniowych, obydwa przekształtniki współpracują korygując współczynnik mocy i prądy wyższych Rys. 11. Ilustracja różnych trybów pracy układu UPS typu DELTA. harmonicznych pobierane z sieci. U napięcie, I prąd, P moc; pozostałe oznaczenia jak na rys

12 Jeśli napięcie sieci zasilającej jest niższe od napięcia w punkcie PBP, napięcie na uzwojeniu pierwotnym transformatora (Tr) jest różne od zera (rys. 11b). Przekształtnik główny (2) obciąża sieć dodatkowym prądem, a przekształtnik delta (1) generuje prąd w uzwojeniu wtórnym transformatora (Tr) w celu zwiększenia prądu w uzwojeniu pierwotnym do wartości, która pomnożona przez napięcie uzwojenia pierwotnego da pożądaną wartość mocy na wyjściu UPS. W ten sposób zwiększony prąd jest pobierany z sieci kompensując jej obniżone napięcie, aby do odbiornika dostarczone było 100% mocy (rys. 11b). Jeśli napięcie sieci jest wyższe od zadanej wartości napięcia w punkcie PBP (rys. 11c), polaryzacja napięcia różnicowego na uzwojeniu pierwotnym transformatora (Tr) jest przeciwna do tej, jaka była w poprzednim przypadku, zilustrowanym na rys. 11b. W tej sytuacji przekształtnik delta (1) obciążony zmniejszonym prądem pobieranym z sieci wysterowuje przekształtnik główny (2) w ten sposób, że dodaje on prąd w punkcie PBP tak, aby na wyjściu UPS otrzymać pożądaną wartość prądu (rys. 11c). Napięcie uzwojenia pierwotnego transformatora (Tr) jest wysterowane napięciem sieci, podczas gdy napięcie wyjściowe w punkcie PBP jest utrzymywane przez przekształtnik główny (2) na stałej, zadanej wartości. W przypadku przerwy w zasilaniu z sieci układ UPS-DELTA pracuje w trybie zasilania rezerwowego (rys. 11d) dostarczając pełną moc obciążenia z baterii akumulatorów (B) poprzez przekształtnik główny (2). W normalnych warunkach pracy, niezależnie od wartości napięcia sieci zasilającej, bateria akumulatorów (B) jest w sposób ciągły doładowywana (rys. 11e) poprzez przekształtnik główny (2) pobierający w tym celu zwiększony prąd z sieci. Dotyczy to w szczególności odnowienia ładunku baterii po okresie pracy w trybie zasilania rezerwowego. Układy o podwójnej konwersji (VFI) Ogólna topologia UPS o podwójnej konwersji jest przedstawiona na rys. 12. Podwójna konwersja polega na zamianie prądu pobieranego z sieci zasilającej na prąd stały, po czym przekształcenie go ponownie na prąd przemienny i zasilenie odbiornika. W trybie pracy normalnej odbiory są zasilane na drodze prostownik / ładowanie baterii akumulatorów / falownik. Bateria jest ładowana w sposób ciągły. W trybie zasilania rezerwowego odbiory zasilane są z baterii akumulatorów poprzez falownik. Przejście z trybu pracy normalnej do zasilania rezerwowego następuje w sposób całkowicie nieodczuwalny dla odbiorów zasilanie jest ciągłe, zmienia się jedynie źródło energii. Ze względu na całkowicie zerowy czas przełączenia UPS o podwójnej konwersji nadają się do rezerwowania zasilania odbiorników najbardziej wrażliwych na przerwę w zasilaniu. W trybie pracy na połączeniu obejściowym (by pass) odbiory podłączone są do sieci zasilającej przez łącznik statyczny (F, rys. 12) lub przez odpowiednie przełączenie łącznika (S). Ten sposób zasilania jest wykorzystywany w przypadku uszkodzenia układu bądź jego przeglądu. Zaletami układów o podwójnej konwersji są: separacja odbiorów od sieci zasilającej, dogodna możliwość regulacji napięcia, możliwość regulacji częstotliwości (o ile to pożądane) oraz zerowy czas przełączenia. Należy zauważyć, że przy pracy z wykorzystaniem połączenia obejściowego powinna nastąpić synchronizacja odbiornika z siecią oraz to, że nie ma wówczas możliwości regulacji częstotliwości. Jeśli napięcie znamionowe odbiornika jest inne niż napięcie znamionowe sieci, przy połączeniu obejściowym należy dodatkowo zastosować transformator, dostosowujący odpowiednio te napięcia. Wadą układów o podwójnej konwersji w porównaniu z wcześniej omówionymi układami UPS jest wyższa cena i nie- Rys. 12. Podstawowa struktura układu UPS o podwójnej konwersji. B bateria akumulatorów, F Þ ltr, S - łącznik znacznie niższa sprawność. Ograniczanie zakłóceń przy użyciu układów UPS. Układy UPS mogą być również charakteryzowane stopniem separacji strony wejściowej od wyjściowej oraz możliwościami poprawy jakości dostarczanej energii elektrycznej. W diagramie na rys. 13 wymieniono dziesięć rodzajów zakłóceń, które mogą być zredukowane przy użyciu układów UPS o określonej klasie. 10

13 Najprostszymi układami UPS są układy o biernej gotowości (VFD), które mogą eliminować jedynie pierwsze trzy rodzaje zakłóceń. Podstawową ich wadą jest krótka przerwa w zasilaniu podczas przełączania obciążenia z zasilania podstawowego na rezerwowe (rys. 8). Stanowi to główne ograniczenie stosowania tych układów jedynie do odbiorników, gdzie taka przerwa może być tolerowana. Do zasilania odbiorników mających wyższe wymagania co do jakości napięcia należy stosować układy UPS klasy VI, które eliminują pięć rodzajów zakłóceń. Są to zwykle układy liniowo interaktywne, przykładowo o układzie połączeń zilustrowanym na rys. 9. Odbiorniki wymagające najwyższej jakości energii elektrycznej należy zasilać układami UPS klasy VFI, które eliminują wszystkie dziesięć rodzajów zakłóceń. Są to najczęściej urządzenia bezpośrednie o podwójnej konwersji, o typowym układzie pokazanym na rys. 12. Zwiększenie dyspozycyjności systemu przy użyciu układów UPS Rys. 13. KlasyÞ kacja układów UPS w zależności od możliwości eliminacji wybranych zakłóceń w napięciu wejściowym. Statyczne układy UPS są urządzeniami o dużej niezawodności, lecz ich awaria może pociągać za sobą poważne konsekwencje. W celu zabezpieczenia odbiorników przed skutkami takich sytuacji stosuje się połączenia obejściowe (by pass) umożliwiające bezpośrednie zasilanie odbiorów z sieci. Jest oczywiste, że łącząc odbiory przez połączenie obejściowe pozbawiamy je praktycznie możliwości zasilania rezerwowego w przypadku awarii w sieci. Większość układów UPS jest wyposażona w obwód obejściowy lub w łącznik obejściowy. Trzy typowe tryby pracy UPS przedstawione są na rys. 14. Łącznik obejściowy jest najczęściej łącznikiem ręcznym, załączanym w przypadku przeglądu urządzenia UPS. Dyspozycyjność układów UPS istotnie wzrasta przez zastosowanie odpowiedniej ich struktury, polegającej na równoległym połączeniu kilku mniejszych jednostek, zamiast jednej dużej, jak to zilustrowano na rys. 15. Ta koncepcja zwiększenia niezawodności jest szerzej wyjaśniona w części 4.1 tego Poradnika. Jeśli do zasilania odbiorników wymagane jest N jednostek, wówczas należy zainstalować N+1 jednostek. W ten sposób awaria pojedynczej jednostki nie ogranicza poprawnej pracy układu. Jeśli natomiast moc obciążenia wzrasta ponad moc zainstalowanych jednostek, najprostszym rozwiązaniem jest dodanie następnej jednostki UPS. Źródła energii w układach zasilania rezerwowego Wprowadzenie Zgodnie z danymi statystycznymi [6] około 97 % wszystkich przerw w zasilaniu występujących w sieciach rozdzielczych średniego napięcia to przerwy, których czas trwania nie przekracza 3 sekund. Przyczyną ich są zakłócenia przemijające, głównie wyładowania atmosferyczne i nastę- Rys. 14. Ilustracja trzech trybów pracy układu UPS z zaznaczonymi drogami przepływu energii (linie kreskowane) a) zasilanie z sieci poprzez łącznik statyczny praca normalna, b) zasilanie rezerwowe z baterii akumulatorów, c) zasilanie z sieci poprzez połączenie obejściowe (łącznik obejściowy). 11

14 pujące po nich zadziałanie układów samoczynnego powtórnego załączenia (SPZ) w czasie od 0,3 do 3 sekund. Przerwy w zasilaniu trwające dłużej niż 3 sekundy, to jedynie około 3% wszystkich przerw, i są zwykle powodowane trwałymi zwarciami w urządzeniach sieci. Czas trwania wyłączeń w takich przypadkach jest zdecydowanie dłuższy, od pojedynczych minut do godzin a nawet dni. Warunki te narzucają dwa różne wymagania dotyczące źródeł zasilania, w zależności od tego, jaki rodzaj przerw w zasilaniu ma ono eliminować. Pierwszy rodzaj, to źródła o odpowiednio dużej energii, zdolne ją dostarczać w dłuższym czasie, zwykle około kilku godzin, szeregu mniejszych jednostek Rys. 15. Układ UPS pracujący jako równoległe połączenie podczas gdy drugi rodzaj źródeł, to źródła o a) z połączeniem obejściowym i łącznikiem statycznym w każdej jednostce, znacznej mocy lecz gromadzące stosunkowo niedużą ilość energii, zdolne dostarczyć b) z jednym łącznikiem statycznym i jednym połączeniem obejściowym dla wszystkich jednostek ją w ciągu bardzo krótkiego czasu, zwykle rzędu kilku bądź kilkunastu sekund. Obydwa rodzaje źródeł zasilania powinny ponadto spełniać następujące, dodatkowe warunki: - duża pojemność energii - niski stopień samorozładowania - szybki przebieg ponownego ładowania - umiarkowane wymagania dotyczące utrzymania - wysoka sprawność - możliwie wysoka dynamika obciążenia (oddania energii). W przypadku agregatów prądotwórczych zasobnikiem energii jest oczywiście zbiornik paliwa, którego zaletą jest z pewnością duży stopień zagęszczenia energii, czyli stosunkowo nieduża objętość w porównaniu do ilości możliwej do uzyskania energii. Inną zaletą jest możliwość szybkiego uzupełnienia zapasu paliwa i możliwość praktycznie nieograniczonego czasu zasilania rezerwowego. Najczęściej stosowanym źródłem zasilania rezerwowego w statycznych układach UPS są baterie akumulatorów. Jednak w ostatnich latach pojawiły się nowe urządzenia do magazynowania energii, takie jak koła zamachowe, super-kondensatory (supercapacitors) i nadprzewodnikowe magnetyczne zasobniki energii (superconducting magnetic energy storage), SMES. Choć urządzenia te w znacznej mierze znajdują się jeszcze w fazie badań, to szereg ich rozwiązań pojawiło się już na rynku. Zasadniczą różnicą pomiędzy bateriami akumulatorów i wymienionymi nowymi rozwiązaniami jest czas w jakim przewiduje się ich pracę w trybie zasilania rezerwowego. Baterie akumulatorów są zdolne dostarczać energię zarówno w ciągu bardzo krótkiego czasu, w zakresie od kilkudziesięciu sekund do kilku minut, jak i w ciągu znacznie dłuższych okresów obciążenia, rzędu kilku godzin. Nowe rozwiązania są przeznaczone do zasilania rezerwowego w ciągu bardzo krótkich okresów czasu, przede wszystkim podczas omówionych wcześniej krótkich przerw w zasilaniu trwających zwykle do 3 sekund, lub do łagodzenia skutków zapadów napięcia. Źródła zasilania rezerwowego są stale utrzymywane w gotowości do pracy w normalnych warunkach zasilania, natomiast energia ich jest rozładowywana w czasie przerw w zasilaniu. Innym istotnym parametrem źródła jest czas potrzebny do ponownego naładowania. Idealnym byłoby źródło, które ma ten czas jak najkrótszy. Zasadnicze parametry źródeł zasilania rezerwowego zostały omówione w następnych podpunktach tego rozdziału. Baterie akumulatorów Wybór typu baterii akumulatorów jest najczęściej dokonany przez dostawcę urządzenia UPS, lecz użytkownicy powinni być poinformowani o tym, jaką baterię zastosowano i jakie są wymogi jej konserwacji te parametry mogą wpłynąć na wybór wyposażenia. Stosowane rodzaje baterii akumulatorów i ich podstawowe właściwości podano w tabeli 4. Tam, gdzie waga baterii nie jest istotna, stosuje się najczęściej baterie kwasowo-ołowiowe, ze względu na niską cenę. 12

15 Rodzaj akumulatora Szczelny NiCd NiMH Li ion ołowiowokwasowy Koszt niski średni wysoki bardzo wysoki Stopień kondensacji energii (Wh/kg) Napięcie celki (V) 2,27 1,25 1,25 3,6 Prąd ładowania mały bardzo duży średni wysoki Liczba cykli ładowania/ rozładowania Stopień samorozładowania niski średni wysoki niski Minimalny czas ładowania , (godziny) Maksymalny czas przestoju bez 180 dni 30 dni 90 dni bez ograniczeń obciążenia Zagrożenie dla środowiska wysokie wysokie niskie wysokie Tabela 4. Zasadnicze rodzaje baterii akumulatorów i niektóre ich parametry. Koła zamachowe Tradycyjne koła zamachowe są używane w niektórych konwencjonalnych agregatach prądotwórczych w celu zgromadzenia energii mechanicznej, wykorzystanej następnie do rozruchu silnika spalinowego. W takim trybie pracy jedynie około 5% energii zawartej w kole zamachowym jest wykorzystane do bezpośredniej zamiany na energię elektryczną, ze względu na szybką utratę prędkości, a tym samym spadek częstotliwości napięcia wytwarzanego przez generator agregatu. Koncepcja kół zamachowych stosowanych do magazynowania energii jest całkowicie odmienna. W normalnych warunkach zasilania sieci koło w sposób ciągły obciąża sieć w celu utrzymania swej prędkości kątowej. W chwili przerwy w zasilaniu energia mechaniczna zgromadzona w kole jest zamieniana na energię elektryczną o zmiennej częstotliwości i napięciu, a następnie przekształcana na energię o znamionowych wartościach częstotliwości i napięcia przy użyciu przekształtnika elektronicznego. Ponieważ energia mechaniczna zgromadzona w kole jest proporcjonalna do kwadratu jego prędkości obrotowej, około 50% energii może być zamienione na energię elektryczną. Wyróżnia się dwie konstrukcje kół zamachowych: wysokoobrotowe i niskoobrotowe [7]. Koła wysokoobrotowe są wykonane ze szkła lub z włókna węglowego, ponieważ masa właściwa tych materiałów jest znacznie większa niż masa właściwa stali. Koło jest połączone bezpośrednio z wirnikiem generatora. Ze względu na nagrzewanie i siły odśrodkowe wirnik generatora jest wykonany jako magnes stały. W celu zminimalizowania sił tarcia, koło i wirnik wirują w próżni i wyposażone są w łożyska magnetyczne. Prędkości obrotowe kół szybkoobrotowych zawierają się w zakresie od do obrotów na minutę. Obecnie budowane konstrukcje mają moc do 250 kw przy gromadzonej energii do 8 MWs. Koła zamachowe wolnoobrotowe pracują przy prędkościach rzędu 6000 obrotów / minutę. Ze względu na znacznie mniejszą prędkość w porównaniu z kołami szybkoobrotowymi, masa koła wolnoobrotowego jest dużo większa od masy koła szybkoobrotowego, aby uzyskać odpowiednio większy moment obrotowy i podobne wartości zmagazynowanej energii. Koła wolnoobrotowe wykonane są ze stali, a do ich poprawnej pracy nie jest konieczne umieszczanie ich w próżni, lecz wystarczy próżnia niepełna bądź rozrzedzony gaz, w celu zmniejszenia sił tarcia. W odróżnieniu od magnesów stałych stosowanych w maszynach kół szybkoobrotowych, silnik / generator koła wolnoobrotowego posiada uzwojony wirnik. Uzwojenia te są wprawdzie źródłem strat i dodatkowego ciepła, lecz zaletą takiego rozwiązania jest możliwość regulacji wzbudzenia. Obecnie produkowane przemysłowo koła wolnoobrotowe posiadają moce do 2 MVA i są zdolne dostarczać energię w czasie od 1 do 30 sekund. Rys.16. Schemat zespolonego układu agregat prądotwórczy koło zamachowe. F koło zamachowe, G maszyna silnik/generator koła zamachowego, M/G maszyna silnik/generator agregatu prądotwórczego, C sprzęgło elektromagnetyczne, E silnik wysokoprężny lub turbina gazowa 13

16 Koła wolnoobrotowe są często stosowane w kombinowanych układach z tradycyjnymi agregatami prądotwórczymi. Typowy przykład takiego urządzenia przedstawiono na rys. 16. W normalnych warunkach zasilania maszyna (M/G) wiruje napędzana energią pobieraną z sieci, dostarczając niewielką ilość energii niezbędnej do podtrzymania pracy koła zamachowego. Koło z kolei dostarcza energię w chwilach krótkotrwałych zaników, zapadów i wahań napięcia, kondycjonując w sposób ciągły napięcie zasilające odbiory. W przypadku dłuższej przerwy w zasilaniu energia zgromadzona w kole wystarcza do rozruchu silnika spalinowego lub turbiny, po zamknięciu sprzęgła elektromagnetycznego (C). W układach takich koło zamachowe zdolne jest dostarczać energię w czasie od 1 do 30 sekund, natomiast silnik agregatu (stale podgrzewany) jest zdolny do pełnego obciążenia po czasie od 1 do 20 sekund. Super-kondensatory Super-kondensatory, nazywane również ultra-kondensatorami, to kondensatory o ekstremalnie dużej pojemności uzyskiwanej dzięki zastosowaniu na ich okładki specjalnych materiałów, takich jak: aktywny węgiel, aktywowane włókno węglowe lub dwutlenek rutenu RuO 2. Materiały te cechują się znacznie większą aktywną powierzchnią elektryczną w porównaniu z tradycyjnymi materiałami stosowanymi na okładki kondensatorów, dzięki czemu super-kondensatory są zdolne gromadzić dużo większą ilość ładunku niż zwykłe kondensatory. Super-kondensatory gromadzą energię prądu stałego, która po przekształceniu na prąd przemienny jest dostarczana do sieci podczas krótkich przerw w zasilaniu lub zapadów napięcia. Stosowane są również zespolone źródła energii rezerwowej w układach UPS złożone z super-kondensatorów i baterii akumulatorów. Super-kondensator, jako urządzenie o znacznie lepszej dynamice obciążenia w porównaniu z akumulatorem, przejmuje obciążenia krótkotrwałe (np. podczas zapadów napięcia), natomiast bateria akumulatorów pokrywa zapotrzebowanie w czasie dłuższych przerw w zasilaniu. Rozwiązanie takie znacznie przedłuża żywotność baterii akumulatorów i super-kondensatory o stosunkowo niedużych pojemnościach są już stosowane w niewielkich układach UPS do zasilania urządzeń elektronicznych. Super-kondensatory o dużych pojemnościach są wciąż w fazie badań i rozwoju technologicznego, a ich pojawienie się jest kwestią niedalekiej przyszłości. Nadprzewodnikowe magnetyczne zasobniki energii (SMES) Gromadzenie energii w nadprzewodnikowych układach magnetycznych polega na przepływie prądu stałego w dużych cewkach schłodzonych do temperatury nadprzewodnictwa, który może być przekształcony na prąd przemienny w chwili oddawania energii. Niskotemperaturowe układy SMES chłodzone ciekłym helem są już obecnie dostępne na rynku. Układy tzw. nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego, chłodzone ciekłym azotem znajdują się natomiast wciąż jeszcze w fazie badań rozwojowych i w niedalekiej przyszłości staną się prawdopodobnie powszechnie dostępnymi źródłami zasilania rezerwowego. W układach SMES prąd stały płynący w cewce, znajdującej się w stanie nadprzewodnictwa, wytwarza silne pole magnetyczne. Straty elektryczne są pomijalnie małe. W celu odebrania energii z cewki jej obwód jest otwierany a następnie zamykany przy pomocy łącznika statycznego. Cewka, dzięki swej dużej indukcyjności zachowuje się jak źródło prądu, który może naładować kondensator do określonej wartości napięcia stałego, przekształcanego następnie na napięcie przemienne. Układy SMES są urządzeniami o znacznych rozmiarach i mają moc od 1 do 100 MW, lecz czas, w którym są zdolne dostarczać energię jest bardzo krótki, i zawiera się w zakresie od 0,1 do 1 sekundy. Kompresyjne zasobniki energii (CAES) W układach CAES wykorzystuje się energię zgromadzoną w sprężonym powietrzu do napędzania zestawu turbina powietrzna generator. Zależnie od mocy i ilości sprężonego powietrza urządzenia CAES mogą być używane do zasilania rezerwowego jak i do pokrywania zapotrzebowania na moc szczytową w dobowym graþku obciążenia sieci. Zastosowanie tych układów jest bardzo zbliżone do zastosowań agregatów prądotwórczych. Zasób sprężonego powietrza jest utrzymywany przez automatycznie załączający się kompresor, podczas normalnych warunków zasilania. Zakres mocy zawiera się od kilkudziesięciu do kilkuset kva. Układy CAES używane jako źródła zasilania rezerwowego są wyposażone w odpowiednie zbiorniki sprężonego powietrza. Jednostki przeznaczone do pokrywania mocy szczytowej są znacznie większe i wykorzystują często podziemne wyrobiska kopalniane usytuowane w gruncie o odpowiednich warunkach geologicznych, np. skała, wyrobiska po hydraulicznym wydobyciu soli itp. Ten rodzaj układów CAES nie jest jednak omawiany w tym Poradniku. 14

17 Porównanie różnych źródeł zasilania rezerwowego Źródła zasilania rezerwowego mogą być użytkowane jako układy autonomiczne, bądź w różnych układach kombinowanych. Jak już wcześniej wspomniano, super-kondensatory są przykładowo stosowane razem z bateriami akumulatorów, w celu przejmowania krótkotrwałego obciążenia i wydłużenia czasu eksploatacji baterii. Każde źródło energii jest charakteryzowane ilością możliwej do zgromadzenia energii i mocą elektryczną, z których wynika czas, w jakim energia może być dostarczana przez źródło. Na rys. 17 przedstawiono takie zestawienie dla różnych źródeł zasilania rezerwowego [7]. Źródła energii przystosowane do bardzo krótkich czasów obciążenia znajdują się wciąż w fazie rozwoju, dlatego ich koszt jest wciąż stosunkowo wysoki (rys. 18). Należy się jednak spodziewać stopniowego obniżenia się ich ceny, wraz z doskonaleniem konstrukcji, rozwiązań technologicznych jak i wraz ze zwiększającą się liczbą produkowanych urządzeń. Sprawność źródeł zasilania rezerwowego stosowanych w układach UPS zależy nie tylko od strat powodowanych ich ładowaniem i rozładowaniem, lecz również od strat biegu jałowego. Okazuje się, że straty biegu jałowego mają tu największy wpływ na sprawność, ponieważ układy UPS przez większość swego czasu eksploatacji pracują w trybie standby, czyli oczekiwania na obciążenie. Dlatego straty jednostkowe przypadające na jednostkę energii zgromadzonej w źródle rezerwowym stanowią istotny wskaźnik ich sprawności. Jak dotychczas, straty energii źródeł przystosowanych do krótko-czasowego obciążenia są bardzo duże w porównaniu ze źródłami tradycyjnymi, co ilustruje tabela 5. Jedynie straty w superkondensatorach są porównywalne ze stratami w bateriach akumulatorów. Rys. 17. Charakterystyki mocy w funkcji ilości zgromadzonej energii dla różnych źródeł zasilania rezerwowego [7]. Oznaczenia wyjaśniono w tabeli 5. Rys. 18. Jednostkowe koszty inwestycji dla różnych źródeł zasilania rezerwowego w zależności od czasu, w jakim są zdolne dostarczać energię [7]. Oznaczenia wyjaśniono w tabeli 5. rodzaj źródła rezerwowego Nadprzewodnikowe magnetyczne zasobniki energii (SMES) straty jednostkowe Czas samorozładowania przypadające na Wh 35 W 1,7 m., Koła zamachowe wolnoobrotowe (LSFW) 2,2 W 30 min Koła zamachowe szybkoobrotowe (HSFW) 1,2 W 50 min Superkondensatory (SC) 0,026 W 1,6 dni Baterie akumulatorów (SB) 0,023 W Bardzo długi, powyżej kilku miesięcy Tabela 5. Straty jednostkowe dla różnych źródeł zasilania rezerwowego [7]. Przykładowe rozwiązanie układu zasilania rezerwowego W praktyce zachodzi często potrzeba zastosowania określonej kombinacji układów rezerwowego zasilania (rys. 19) w celu zapewnienia odpowiedniego stopnia niezawodności. Ponadto celowym jest podzielenie odbiorników w danym obiekcie na dwie lub większą liczbę grup, zależnie od priorytetu zasilania. Przykładowo sprzęt informatyczny powinien należeć do grupy o najwyższym priorytecie zasilania (kategoria IV, tabela 1) i powinien być zasilany przy pomocy układu UPS. Odbiory dla których dopuszczalna jest krótka, określona przerwa w zasilaniu mogą być ponownie załączone po uruchomieniu agregatu prądotwórczego. Operacje łączeniowe w układach jak na rys. 19 są dokonywane przez układy samoczynnego powtórnego załączenia (SPZ). Przykład praktycznego rozwiązania układu SPZ niskiego napięcia przedstawiono na rys. 20. Napięcie wejściowe jest kontrolowane w panelu wejściowym i w zależności od 15

18 jego wartości przekaźnik główny steruje układem. Zamieszczony diagram ilustruje sekwencję pracy poszczególnych elementów układu SPZ. Wnioski Rys. 19. Przykładowe rozwiązanie układu o dużej niezawodności zasilania. Większość urządzeń elektrycznych, użytkowanych obecnie zarówno przez odbiorców przemysłowych jak i komercyjnych, wymaga zasilania energią o wyższej jakości niż ta, jaka dostępna jest bezpośrednio z sieci elektroenergetycznej. Poprawa jakości energii w sieci zasilającej jest zadaniem zarówno trudnym jak i kosztownym, dlatego to właśnie w znacznej mierze zadaniem odbiorców jest podjęcie działań mających na celu ograniczanie skutków złej jakości energii. Poprawa jakości energii nie ogranicza się do pojedynczego rozwiązania. Rozwiązanie optymalne jest wynikiem analizy uwzględniającej wielkość mocy zapotrzebowanej, wymagany poziom jakości i niezawodności zasilania, jakość i niezawodność energii dostarczanej z sieci, lokalizację geograþczną i koszty. Istnieją rozwiązania odpowiednie dla różnych uwarunkowań. W oparciu o szczegółową analizę kosztów i założeń technicznych należy wybrać wariant optymalny pod względem ekonomicznym, uwzględniający specyþkę warunków użytkowania i otoczenia. LITERATURA 1. EN (IEC 62040) Uninterruptible power systems. 2. Elektronizacja 11/ EN Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution systems. 4. ABB Switchgear Manual, 10 th edition, Dusseldorf, Cornelsen Verlag Seip G.: Elektrische Installationstechnik. T1. Berlin Munchen, Simens Aktiengesellschaft UNIPEDE DISDIP, Measuring of power failures in MV grid in Europe. 7. Darrelmann H.: Comparison of alternative short time storage systems. Piller GmbH-www site, Rys. 20. Schemat blokowy układu samoczynnego załączenia rezerwowego zasilania niskiego napięcia wraz z diagramem czasowym jego działania. B źródło zasilania podstawowego, R źródło zasilania rezerwowego, BCB, RCB wyłączniki, odpowiednio podstawowego i rezerwowego źródła zasilania, S1, S2 łączniki załączające odpowiednio odbiory o wyższej i niższej kategorii zasilania, EGS agregat prądotwórczy, U B, U R zmierzone wartości napięć, odpowiednio źródła podstawowego i rezerwowego. 16

19 Partnerzy główni i referencyjni European Copper Institute (ECI) Web: Akademia Górniczo-Hutnicza (AGH) Web: Centre d Innovació Tecnològica en Convertidors Estàtics i Accionaments (CITCEA) Web: www-citcea.upc.es Engineering Consulting & Design (ECD) Web: Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) Web: Istituto Italiano del Rame (IIR) Web: Polskie Centrum Promocji Miedzi (PCPM) Web: Provinciale Industriele Hogeschool (PIH) Web: Università di Bergamo Web: Comitato Elettrotecnico Italiano (CEI) Web: Copper Benelux Web: Copper Development Association (CDA UK) Web: Deutsches Kupferinstitut (DKI) Web: International Union of Electrotechnology (UIE) Web: ISR - Universidade de Coimbra Web: Katholieke Universiteit Leuven (KU Leuven) Web: La Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (ETSII) Web: University of Bath Web: University of Manchester Institute of Science and Technology (UMIST) Web: Politechnika Wrocławska Web: Zespół redakcyjny David Chapman (Chief Editor) CDA UK david.chapman@copperdev.co.uk Prof Angelo Baggini Università di Bergamo angelo.baggini@unibg.it Dr Araceli Hernàndez Bayo ETSII - Universidad Politécnica de Madrid ahernandez@etsii.upm.es Prof Ronnie Belmans UIE ronnie.belmans@esat.kuleuven.ac.be Franco Bua ECD franco.bua@ecd.it Prof Anibal de Almeida ISR - Universidade de Coimbra adealmeida@isr.uc.pt Hans De Keulenaer ECI hdk@eurocopper.org Gregory Delaere Lemcko gregory.delaere@howest.be Prof Jan Desmet Hogeschool West-Vlaanderen jan.desmet@howest.be Dipl-Ing Marcel Didden KU Leuven marcel.didden@mech.kuleuven.ac.be Dr Johan Driesen KU Leuven johan.driesen@esat.kuleuven.ac.be Stefan Fassbinder DKI sfassbinder@kupferinstitut.de Prof Zbigniew Hanzelka Akademia Górniczo-Hutnicza hanzel@uci.agh.edu.pl Dr Antoni Klajn Politechnika Wrocławska antoni.klajn@pwr.wroc.pl Reiner Kreutzer HTW rkreutzer@htw-saarland.de Prof Wolfgang Langguth HTW wlang@htw-saarland.de Jonathan Manson Gorham & Partners Ltd jonathanm@gorham.org Prof Henryk Markiewicz Politechnika Wrocławska henryk.markiewicz@pwr.wroc.pl Carlo Masetti CEI masetti@ceiuni.it Dr Jovica Milanovic UMIST jovica.milanovic@umist.ac.uk Dr Miles Redfern University of Bath eesmar@bath.ac.uk Andreas Sumper CITCEA sumper@citcea.upc.es Roman Targosz PCPM cem@miedz.org.pl

20 Prof Henryk Markiewicz Politechnika Wrocławska Wybrzeże Wyspiańskiego Wrocław Polska Tel: Fax: Web: Dr Antoni Klajn Politechnika Wrocławska Wybrzeże Wyspiańskiego Wrocław Polska Tel: Fax: Web: Polskie Centrum Promocji Miedzi Sp. z o.o Wrocław pl. 1 Maja 1-2 Polska Tel: Fax: pcpm@miedz.org.pl Website: European Copper Institute 168 Avenue de Tervueren B-1150 Brussels Belgium Tel: Fax: eci@eurocopper.org Website: