Dlaczego warto stosować zasilacz UPS?

Dlaczego, i w jakich przypadkach potrzebny jest zasilacz UPS?

Teoretycznie rzecz biorąc, zasilacz bezprzerwowy UPS (Uniterrable Power supply) nie powinien nam być w ogóle potrzebny. Zakład energetyczny dostarcza nam na co dzień zasilanie, więc urządzenie, które niejako dubluje pracę zakładu energetycznego, powinno nie mieć szerokiego zastosowania. Tymczasem zaobserwować można coraz większą popularność tego typu urządzeń. Dlaczego okazuje się on coraz bardziej potrzebny? W jakich przypadkach i jaki warto zastosować? Odpowiedzi na te pytania znajdują się poniżej.

Dwie główne przyczyny stosowania zasilacza UPS to:

1. UPS jako zasilanie awaryjne w przypadku awarii sieci energetycznej
2. UPS jako stabilne źródło zasilania wolne od zakłóceń sieci energetycznej

Powyższe dwie przyczyny, jak i ich kombinacja powoduje, że UPSy znajdują zastosowanie w tzw. Systemach Zasilania Gwarantowanego, będąc ich głównym elementem bądź jego częścią.

Jeśli dotyczy Cię któraś z sytuacji opisanych w punktach 1 lub 2 być może Twoje urządzenia nie działają prawidłowo i przyczyna leży w nieprawidłowym ich zasilaniu. UPS jest wtedy najbardziej uniwersalnym narzędziem do rozwiązywania takich problemów. Uniwersalność jego polega na idei tworzenia własnego stabilnego źródła zasilania i odcięcia się od problemów niestabilności sieci energetycznej.

Gdzie warto zastosować zasilacz UPS?

Występuje wiele krytycznych urządzeń, których nagłe wyłączenie w przypadku niestabilności sieci zasilającej jest niewskazane, kosztowne lub wręcz zagraża życiu, lub zdrowiu. Przykłady poniżej:

• urządzenia IT (serwet itp.) , kluczowe maszyny i linie produkcyjne – nie powinny być nagle wyłączane, gdyż jest to dla nich niekorzystne z punktu widzenia żywotności, jak i działalności przedsiębiorstwa generując straty finansowe w postaci przerw pracy zakładu
• szeroko pojęta służba medyczna — sale operacyjne, urządzenia podtrzymujące życie
• krytyczne urządzenia, których przerwa w zasilaniu może generować sytuacje niebezpieczne – zawory, pompy, urządzenia sterujące, nadzorujące itp.

Jaka jest zasada działania zasilacza UPS typu online?

Zasada działania zasilacza UPS online polega na tworzeniu własnego źródła stabilnego zasilania (dotyczy to tylko UPSów typu online). Poniżej schemat ideowy:

Typowy tryb pracy zasilacza UPS polega na przekształceniu napięcia sieciowego za pomocą prostownika w napięcie stałe, a następnie przekształceniu napięcia stałego za pomocą falownika w napięcie przemienne. Dlatego też UPS typu online nazywany jest też UPSem z podwójnym przetwarzaniem (lub konwersją). Napięcie przemienne, które wytwarza falownik w UPSie, jest w założeniu napięciem sieciowym, gdyż w przypadku Polski jest wytwarzane sinusoidalne napięcie fazowe 230VAC/50Hz. Zauważmy jednak, że poprzez wytworzenie napięcia stałego odcięliśmy się od niestabilności i zakłóceń sieciowych. Następnie poprzez zastosowanie falownika otrzymujemy pełną sinusoidę wykazującą się większą stabilnością niż ta z sieci. A na sam koniec w przypadku przerwy w zasilaniu z sieci falownik zamiast z prostownika będzie czerpał energie z baterii. I to wszystko bez żadnej przerwy w zasilaniu.

Jak więc widać powyżej, nie rozwiązując przyczyny niestabilności (czasem jest to wręcz niemożliwe), zapewniamy sobie stabilne gwarantowane napięcie zasilania. Trzeba jednak dodać na koniec, że UPS też ma swoje wymagania i nie zaakceptuje dowolnego napięcia zasilającego. Jeśli wyjdziemy poza akceptowalne zakresy jego parametrów wejściowych, UPS nie będzie pracował poprawnie. Oczywiście te zakresy są dość szerokie i zazwyczaj działają poprawnie. Po prostu nie możemy zakładać z góry, że UPS zawsze zadziała prawidłowo. Czasem należy usunąć przyczynę niestabilności. Należy dokonać pomiarów analizatorem parametrów sieci i po analizie wyników zastosować innego typu urządzenie. Szczegóły wychodzą już poza ramy tego artykułu.

Dobór odpowiedniego UPS?

Zaznaczę, że w tym artykule skupiam się na technologii online i nie omawiam prostszych rozwiązań UPS, czyli technologii offline lub line-interactive, które obecnie dotyczą tylko małych UPSów do mocy 3 kVA. Oczywiście mają swoje zalety i nadal znajdują zastosowanie. Technologia online daje nam do dyspozycji wielu producentów od mocy 1 kVA do nawet 800 kVA lub wielokrotności tych wartości w przypadku łączenia równoległego UPS.

Wracając do doboru, są dwa parametry, które bierzemy pod uwagę: moc urządzenia i czas podtrzymania. Po prawidłowej analizie mocy i określeniu celu, jaki chcemy osiągnąć, jesteśmy w stanie optymalnie dobrać rozwiązanie pod względem technologicznym, jak i ekonomicznym. Oba aspekty rozwinę poniżej:

1. Moc UPS.

   • Moc zasilacza UPS to sprawa kluczowa o tyle, że przy dobraniu zbyt małego UPSa do potrzebnej mocy obciążenia będziemy mieli do czynienia z odcinaniem zasilania przez UPS. Po prostu zasilacz, aby chronić się przed przeciążeniem będzie odcinał wyjście, a więc, zamiast pomóc sobie, wręcz dołożymy sobie problemów. Ważne jest, aby dobierając moc uwzględnić nie tylko moc nominalną urządzeń, a również moc maksymalną.

   • Moc nominalna – jest to moc znamionowa urządzenia. Często widnieje tabliczka znamionowa na urządzeniu, która informuje nas, że dane urządzenie podczas swojej pracy może pobierać taką to moc. Takie informacje znajdziemy też często w instrukcji obsługi.

   • Moc maksymalna – jest to moc chwilowa. Urządzenia ze względu na swój indywidulany charakter pracy może pomimo zadeklarowanej mocy nominalnej pobierać znacznie większą moc chwilową. Najlepszym tego przykładem jest silnik, który podczas rozruchu potrafi pobierać nawet 10 krotnie większy prąd rozruchowy niż prąd nominalny. Dlatego też w przypadku silników często stosuje się wszelkiego rodzaju softstarty obniżające te prądy. Co gorsze o ile o moce nominalne jesteśmy w stanie w miarę łatwo wyczytać z dostępnych informacji, to moce maksymalne często nie są już podane. Nie jesteśmy też tych mocy w stanie zmierzyć zwykłym miernikiem a tylko analizatorem parametrów sieci. Poniżej przykład załączania silnika bez żadnego softstartu zmierzony za pomocą analizatora w trybie oscyloskopu.

   

   Uchwycony został moment załączenia silnika dla uproszczenia dla jednej fazy. Można przyjąć w przybliżeniu, że przez 0,3 sekundy prąd wzrósł do ponad 150 A, aby później osiągnąć wartość ponad 10 A. Nigdzie na tabliczce znamionowej silnika nie znajdziemy informacji, że prąd może osiągnąć takie wartości. Proszę zauważyć, jakie to niebezpieczeństwo niesie przy doborze UPSa, który ma zasilić takie urządzenie. Bez dokonania pomiarów, nie będziemy świadomi, jak duże prądy będzie musiał przenieść UPS. Zazwyczaj UPS można chwilowo przeciążyć o 50% jego nominalnej mocy, później UPS będzie odcinał wyjście dla własnej ochrony.

   Podsumowując, przy doborze mocy zasilacza UPS należy pamiętać o mocy nominalnej i maksymalnej. Jeśli nie jesteśmy pewni, zawsze warto przeprowadzić pomiary analizatorem, aby nie dobrać zbyt małego UPSa.

   A na koniec dodam o pewnej możliwości elastycznych rozwiązań. Można skorzystać z UPSów modułowych jak na zdjęciu poniżej, gdzie do kabiny dołączamy kolejne moduły mocy. Możemy wtedy w elastyczny sposób powiększać moc UPSa.

   
2. Czas podtrzymania (autonomii)
   • Czas autonomii, to czas, jaki UPS ma podtrzymywać obciążenie przy awarii sieci zasilającej. To już kwestia celu, jaki chcemy osiągnąć. Przykładowo, czy zależy nam na zniwelowaniu problemu zapadów (czyli spadków napięć trwających jakąś część sekundy), czy na krótkim czasie typu minuta na bezpieczne wyłączenie obciążenia lub załączenie awaryjne agregatu prądotwórczego (jeśli posiadamy tak zwany tandem UPS + agregat ).
   • Należy pamiętać, że zwiększanie czasu podtrzymania potrafi mocno zwiększać cenę, a nierzadko bateria potrafi być droższa, niż sam UPS. Należy więc rozważnie podejść do tematu. Jeśli chcemy osiągnąć długie czasy podtrzymania, to w pewnym momencie bardziej ekonomiczne rozwiązanie to tandem UPS + agregat. Agregat załącza się w przypadku awarii sieci zasilającej. Stosując automatyczny układ przełączania źródeł zasilania UPS tzw. SZR możemy w ciągu maksymalnie 30 sekund przełączyć zasilanie UPS z sieci na agregat i zachować ciągłość zasilania.
   • Na koniec zdjęcie przykładowej baterii na dwóch stelażach. 72 akumulatory x 120Ah dające podtrzymanie 15 min dla 180kW mocy. Same akumulatory ważą tu 2,5 tony. Warto więc wyobrazić sobie, że długie czasy podtrzymania generują spore gabarytowo baterie.