Podczas projektowania układów zasilania rezerwowego projektanci muszą brać pod uwagę takie czynniki, jak: wielkość, pojemność zbiornika paliwa oraz uziemienie.
Generatory zasilania rezerwowego są kluczowym elementem obiektów o znaczeniu strategicznym. Podczas doboru i projektowania układu zasilania rezerwowego należy rozważyć wiele czynników. W artykule opisane są trzy podstawowe zagadnienia: poprawne zwymiarowanie, układ zasilania paliwem oraz właściwe uziemienie.
Poprawne zwymiarowanie
Podczas doboru generatora zasilania rezerwowego projektant musi wziąć pod uwagę pobór mocy czynnej, kompensację składowych harmonicznych w systemie rozdzielczym oraz warunki do rozruchu dużych silników.
Generatory charakteryzują się zazwyczaj dwoma podstawowymi parametrami: mocą wyrażoną w kW oraz współczynnikiem mocy. Razem parametry te określają moc maksymalną wyrażoną w kW (moc czynna) oraz w kVA (moc pozorna). Inżynier musi wziąć pod uwagę silnik i generator jako dwie oddzielne jednostki oraz jako jeden system. Silniki są źródłem mocy czynnej lub siły napędowej oraz kontrolują częstotliwość. Generatory przekształcają energię mechaniczną na energię elektryczną (kVA) oraz muszą pobierać taki prąd magnesujący, który nie wpływa ujemnie na działanie sieci.
W czysto indukcyjnym odbiorniku prąd opóźnia się względem napięcia o kąt 90° (rys. 1). Moc zmienia się równo pomiędzy dodatnimi i ujemnymi cyklami. Oznacza to, że moc jest na przemian pobierana i zwracana do źródła. Jeśli system byłby mechanicznym generatorem, to praktycznie nie pobierałby energii mechanicznej z sieci w celu obrócenia wału, ponieważ obciążenie nie zużywałoby żadnej mocy.
Często głównym parametrem wymiarowania generatorów przeznaczonych do kluczowych aplikacji jest maksymalna dopuszczalna moc startowa kVA (skVA) i maksymalna moc startowa kW (skW). Moc skVA zależy od maksymalnego dopuszczalnego spadku napięcia podczas rozruchu i będzie niższa dla większości czułych kluczowych odbiorów lub w przypadkach, gdzie normy wymagają niższych maksymalnych spadków napięć.
Dla systemu zazwyczaj podaje się wartości mocy kVA i maksymalnego dopuszczalnego spadku napięcia w celu doboru wielkości generatora. Podczas rozruchu silniki mogą pobierać prąd o wartości sześciokrotnie większej od prądu znamionowego. Silniki o wysokiej sprawności mogą pobierać prąd co najmniej dziesięciokrotnie większy. Oznacza to, że rozruch silników może zasadniczo wpłynąć na wymaganą moc startową skVA i może przekroczyć maksymalną moc startową skVA generatora, który dla odbiorów o łagodnym rozruchu mógłby być wystarczająco duży. Opierając się jedynie na wymaganiach rozruchu silnika można by przewymiarować generator.
Sekwencyjny rozruch dużych silników i/lub zastosowanie układów miękkiego startu (ang. Softstart) lub przemienników częstotliwości (ang. Variable Frequency Drive) może złagodzić problem ze spadkiem napięcia poprzez zmniejszenie prądu rozruchowego i mocy rozruchowej kVA. Sekwencyjny rozruch dużych silników może zredukować wartość mocy startowej kVA do wartości pozwalającej na zastosowanie mniejszego generatora. Podczas projektowania odstępów pomiędzy odbiorami projektant musi być świadomy obowiązujących przepisów i maksymalnych dopuszczalnych opóźnień czasów rozruchu dla zachowania bezpieczeństwa życia ludzkiego oraz odbiorników prawnie przeznaczonych do zasilania rezerwowego.
Softstartery lub napędy VFD mogą zredukować prąd rozruchowy i moc rozruchową do połowy w porównaniu do startera podłączonego bezpośrednio do sieci. Z drugiej jednak strony urządzenia te wykorzystują także układy tyrystorowe służące do cięcia przebiegów sinusoidalnych, co skutkuje otrzymywaniem nieliniowych przebiegów. Te nieliniowe przebiegi, znane także jako harmoniczne, powodują odkształcenia napięcia na reaktancji generatora, a także mogą wywołać niepożądane stany przejściowe. W konsekwencji pojawienie się harmonicznych wpływa niekorzystnie na działanie całej sieci elektrycznej. Spadek napięcia i odkształcenia napięcia będzie znacznie większy, gdy zakład będzie zasilany z generatora, niż w przypadku, gdyby był zasilany z sieci energetycznej. Wewnętrzna impedancja indukcyjna typowego generatora wynosi w granicach od 15% do 20%, podczas gdy wartość ta dla transformatorów energetycznych waha się w granicach od 2% do 5%.
Prostowniki układów UPS zazwyczaj nie pobierają prądu sinusoidalnego ze źródła zasilania. Im bardziej przebieg prądu różni się od sinusoidy, tym większy jest współczynnik zawartości harmonicznych (ang. Total Harmonic Distortion) w przebiegu prądu. Harmoniczne mogą powodować nadmierne nagrzewanie generatora oraz nadmierne odkształcenia napięcia całego systemu.
Projektant musi znać różne metody stosowane przez producentów układów UPS i generatorów, które sprawiają, że układy UPS są przyjazne dla systemów generatorowych. Metody te wykorzystują:
- UPS-y z 12-pulsowym prostownikiem zamiast 6-pulsowego,
- UPS-y z filtrami pasywnymi,
- UPS-y ze stopniowym obciążaniem lub sekwencyjnym rozruchem prostownika,
- generatory z magnesem trwałym i elektroniczną kontrolą nasycenia,
- UPS-y redukujące maksymalny prąd wejściowy.
Prostownik 6-pulsowy z reguły ma 30% współczynnik zawartości harmonicznych, spośród których duży procent stanowią harmoniczne piąte i siódme. Zawartość harmonicznych w prostowniku 12-pulsowym jest ponad dwukrotnie mniejsza, a większość harmonicznych to harmoniczne jedenaste i trzynaste.
Producenci układów UPS mogą zastosować filtry pasywne w celu zmniejszenia współczynnika zawartości harmonicznych widzianych przez generator. Przy niskim obciążeniu UPS-a filtr statyczny może dostarczać nadmiernej składowej pojemnościowej, która będzie wysyłana z powrotem do generatora. W przeciwieństwie do sieci energetycznej generator nie może przyjąć wzrostu napięcia wywołanego przez pojemność w systemie. Teoretycznie regulator napięcia generatora może utracić kontrolę i podnieść napięcie wyjściowe na UPS. Prostownik UPS może się wyłączyć, gdy zobaczy wzrost napięcia. Odłączenie prostownika w UPS usunie dodatkową pojemność w systemie, co pozwoli regulatorowi napięcia generatora na prawidłową pracę. Cykl ten może trwać dalej, a UPS nie będzie w stanie przejąć obciążenia przy zasilaniu z generatora.
Problem ten może zostać wyeliminowany poprzez ocenę systemu w celu zastosowania mniejszego filtra, który powinien być tak zwymiarowany, aby nie wzbudzać się przy najmniejszym możliwym obciążeniu. Dodatkowo filtr może zostać całkowicie usunięty, jeśli generator ma układ kontroli obwodów elektrycznych. Zapewniając obciążenie indukcyjne w systemie i podłączając je do generatora przed UPS-em pozwoli tym odbiornikom na pochłonięcie składowej pojemnościowej, dzięki czemu nie trafi ona do generatora.
Stopniowe przenoszenie całości obciążenia z UPS-a
na generator w przypadku utraty zasilania z sieci energetycznej spowoduje nagłe wahania częstotliwości i napięcia generatora rezerwowego. Wielu producentów oferuje funkcję sekwencyjnego rozruchu prostownika. Podczas zaniku napięcia podstawowego z sieci odbiorniki zasilane z wyjścia falownika zasilanego z tej sieci poprzez prostowniki zostaną natychmiast przełączone na zasilanie z baterii UPS. Jak tylko generator zostanie uruchomiony (napięcie i częstotliwość), wtedy całość obciążenia z baterii systemu UPS może być powoli przełączana na generator. Zazwyczaj można zaprogramować ten czas na 30 s. Sekwencyjny rozruch prostownika znacznie redukuje wahania częstotliwości i napięcia na wyjściu generatora.
Harmoniczne z UPS-a mogą spowodować odkształcenia przebiegu napięcia na generatorze. Generatory samowzbudzające się wyposażone w magnesy trwałe mogą pomóc w złagodzeniu tego zjawiska. Dodatkowo cyfrowe regulatory napięcia i cyfrowe sterowniki wzbudzenia mogą zapewnić odporność na zjawisko harmonicznych od obciążeń nieliniowych.
Wiele UPS-ów pozwala operatorom na nastawę maksymalnego prądu wejściowego. Po powrocie napięcia przemiennego układ prostownika i zasilacza baterii zasili falownik i jednocześnie zacznie ładować baterie. Maksymalny możliwy prąd wejściowy do UPS-a musi zostać wzięty pod uwagę podczas doboru generatora. Jeśli operator zmniejsza maksymalny prąd wejściowy, wtedy całkowite obciążenie generatora zostaje zredukowane, ale czas na naładowanie baterii będzie wydłużony.
Załamanie przebiegu napięcia może być niekorzystne dla elektronicznych łączników czasowych, których działanie opiera się na przełączaniu podczas przechodzenia przebiegu przez zero. W celu skompensowania odchyleń napięcia pochodzących z nieliniowych odbiorników można zastosować większy generator ze zmniejszoną impedancją. Projektant musi mieć świadomość przeznaczenia generatora. W zależności od współczynnika obciążenia, typowego zastosowania, typowego obciążenia szczytowego oraz typowego czasu pracy w ciągu roku, generator będzie wymagał albo danych znamionowych dla pracy jako źródło rezerwowe dla pracy ciągłej przy zmiennym obciążeniu, albo dla pracy ciągłej przy stałym obciążeniu. Dodatkowo lokalne przepisy narzucają wymagane parametry znamionowe generatorów. Przeciążanie generatora ponad jego parametry znamionowe skróci jego żywotność i zwiększy koszty operacyjne. Ważny jest stosunek warunków pracy, dla których generator został przeznaczony, do ograniczeń gwarancyjnych producenta określających czas pracy w ciągu roku.
Podczas określania parametrów generatora zasilania rezerwowego dla centrum przechowywania danych lub obiektu ważnego strategicznie zaleca się, aby poziom reaktancji przejściowej wynosił 12% lub mniej. Im mniej, tym lepiej.
Stopniowanie obciążania generatora jest metodą wykorzystywaną podczas procesu projektowania w celu zmniejszenia wielkości generatora. Jeśli wszystkie odbiory zostaną podłączone w tym samym czasie, generator zostanie znacznie przewymiarowany. Zastosowanie wielu przełączników źródeł zasilania (ang. Automatic Transfer Switch) zaprogramowanych tak, aby działać w kilkusekundowych odstępach czasowych, jest jedną z metod zapewnienia wielostopniowego rozruchu generatora. Innym sposobem jest zaprogramowanie systemu UPS z sekwencyjnym rozruchem prostownika, aby zapewnić, że całość obciążenia UPS nie zostanie jednorazowo zrzucona na generator. Większość dużych centrów przetwarzania danych wykorzystuje generatory zasilania rezerwowego do zasilania „opcjonalnych” odbiorów. Generatory te nie mieszają odbiorów służących do ratowania życia, prawnie wymaganych odbiorów z zasilaniem rezerwowym oraz obciążeń opcjonalnych. Jednakże dla małych centrów ulokowanych w budynku biura ten sam generator, który używany jest dla ratowania życia i prawnie wymaganych odbiorów rezerwowych, może także zasilać odbiory opcjonalne.
W takich przypadkach stosuje się trzy obwody z przełącznikami zasilania, które zapewniają wygodne stopniowanie obciążenia podczas rozruchu generatora (rys. 2). Z reguły redukuje to wymaganą wielkość generatora. Przełączniki ATS można programować w celu zasilania odbiorów ratujących życie w ciągu 10 s oraz odbiorów rezerwowych w ciągu 60 s.
Konserwatywne przewymiarowanie generatorów z powodu braku pełnej wiedzy dotyczącej ich doboru nie tylko pociągnie za sobą dodatkowe koszty, ale może także odwrotnie wpłynąć na niezawodność systemu. Większość producentów zaleca, aby silniki Diesla nie pracowały przy obciążeniu mniejszym niż 10% obciążenia znamionowego w dłuższym czasie oraz ogólnie zalecają, aby obciążenie nie spadało poniżej 30% wartości znamionowej generatora. Należy sprawdzić zalecenia producenta dla danej aplikacji.
System zasilania paliwem
Projektant musi być także zorientowany w kwestii wymaganego minimalnego zapasu paliwa, które jest potrzebne dla głównego silnika spalinowego, będącego źródłem mocy dla systemów zasilania rezerwowego.
System zasilania paliwem jest kluczowym elementem systemu generatora rezerwowego na obiektach o znaczeniu strategicznym. Zazwyczaj typowy zapas paliwa ma wystarczyć na 24 do 72 godzin pracy. Z punktu widzenia projektu dobrą zasadą jest przyjęcie 0,27 l/kW/h.
Na przykład generator o mocy 2000 kW wymaga około 540 l/h przy pełnym obciążeniu.
2000 kW x 0,27 = 540 l/h przy pełnym obciążeniu
Dla dużych generatorów minimalny zapas paliwa może przekroczyć granice wymagane przez przepisy budowlane i/lub przeciwpożarowe i może to doprowadzić do dodatkowych wymagań systemu. Te dodatkowe wymagania zawierają: oddzielne systemy zasilania paliwem, pomieszczenia odpowiedniej klasy lub zbiorniki ze zintegrowaną ochroną pośrednią zapobiegającą wydostawaniu się paliwa na zewnątrz.
Następną sprawą do rozważenia jest typ zbiornika paliwa. Zbiorniki z pojedynczą ścianką są zaprojektowane do przechowywania łatwopalnych płynów.
Właściwe uziemienie
Uziemienie systemu generatora jest ważnym kryterium, które należy rozumieć, aby zapewnić prawidłową pracę systemów o znaczeniu krytycznym.
System generatora może wykorzystywać zarówno trzy, jak i czteropolowe łączniki ATS (rys. 3 i 4). W przypadku zastosowania łącznika trzypolowego występują potencjalne problemy ze zwarciem doziemnym. Dla zachowania bezpieczeństwa wymaga się zastosowania wyłącznika różnicowo-prądowego (ang. Ground Fault Interrupter) na generatorze, jeżeli jego prąd znamionowy wynosi powyżej 1000 A i 480 V. W przypadku generatora odbiorów opcjonalnych wyłącznik musi zadziałać podczas wystąpienia zwarcia doziemnego. Generator zasilający odbiory ratujące życie ma tylko opcję alarmu i blokady wyłączenia. Jedną z metod uziemienia generatora z wyłącznikiem różnicowo-prądowym jest wspólne połączenie punktu neutralnego i uziemiającego na generatorze, potraktowanie generatora jako oddzielne źródło zasilania i zainstalowanie czteropolowego łącznika ATS.
Rozważmy wyłącznik różnicowo-prądowy na głównym źródle zasilania oraz na generatorze. W tym przykładzie generator nie jest traktowany jako oddzielne źródło, więc zastosowano trzypolowy łącznik ATS. Istnieje tu taka możliwość, że podczas pracy generatora i wystąpienia zwarcia doziemnego zadziała główny wyłącznik różnicowo-prądowy, dodatkowo z wyłącznikiem generatora. W takim przypadku podczas powrotu zasilania podstawowego wyłącznik główny mógłby zadziałać na wyłączenie, nie pozwalając na zasilanie obiektu ze źródła podstawowego.
System MDGF (Modified Differential Ground Fault) może znacznie skomplikować system zasilania rezerwowego. System ten jest wymagany w przypadku układów z wieloma źródłami zasilań z zainstalowanymi trzypolowymi łącznikami transformatorowymi. W kilku przypadkach nie jest możliwa kontrola uziemienia źródła dodatkowego. System MDGF może zapewnić selektywność doziemień nawet w bardzo skomplikowanych systemach.
Artykuł pod redakcją Marka Olszewika
Autor: Keith Lane
