Rosnące wymagania związane z zapewnieniem bezprzerwowej pracy urządzeń i maszyn są powodem zainteresowania systemami zasilania gwarantowanego. W ich skład wchodzą zasilacze awaryjne UPS i agregaty prądotwórcze. Dziś przy powszechnym wykorzystaniu urządzeń lub elementów elektronicznych liczy się też jakość i stabilność dostarczanego napięcia.
Wymagania dotyczące niezawodności urządzeń zasilających rosną wraz z rozwojem systemów teleinformatycznych, systemów przetwarzania danych, automatyzacji procesów produkcyjnych i złożonych sieci transmisji danych. Pewność i jakość zasilania mają szczególnie duże znaczenie w: systemach telekomunikacyjnych i przetwarzania danych, tam gdzie korzysta się z systemów alarmowych czy sygnalizacyjnych oraz wszędzie tam, gdzie są sterowniki i komputery sterujące procesami w przemyśle. W energetyce są to również systemy i podstacje zasilające. Jakości napięcia poświęca się coraz więcej uwagi. Jest to dziś ważne zarówno dla dystrybutorów energii elektrycznej, jak i użytkowników. Również w przemyśle wiele urządzeń ma wbudowane złożone systemy elektroniczne wrażliwe na zmiany lub zakłócenia napięcia.
W Polsce obowiązuje norma europejska PN-EN 50160. Wymienia się w niej główne parametry napięcia w sieciach niskiego i średniego napięcia w normalnych warunkach operacyjnych. Określa się w niej parametry, takie jak: częstotliwość, poziom napięcia i jego zmienność, nagłe spadki, okresowe lub przejściowe zwyżki, wyższe harmoniczne i wahania napięcia. W lutym 2010 r. ukazało się opracowanie Urzędu Regulacji Energetyki prezentujące wyniki pierwszych systemowych badań sektora energetycznego związane z jakością dostaw energii elektrycznej. Jak podaje URE, jest to nowy instrument wspomagający poprawę jakości dostaw energii, a równocześnie doświadczenia krajów europejskich pokazują, że systematyczne badania benchmarkingowe rynku energii przyczyniają się do poprawy, nie tylko wskaźników ciągłości dostaw, ale również wzrostu konkurencyjności.
W badaniu ankietowym przeprowadzonym wśród odbiorców energii wskazywano w kolejności ważności takie zakłócenia, jak: wartość, wahania i zapady napięcia oraz krótkie przerwy w zasilaniu głównie mikroprzerwy. Badanie wykazało, że operatorzy działający na naszym rynku nie mają wiedzy dotyczącej kosztów dostawy złej jakości energii, ani nie starają się jej zdobyć. Zwraca się też uwagę na powiązanie utrzymania dobrej jakości zasilania i procedury wydawania warunków technicznych przyłączania nowych odbiorców, z uwzględnieniem norm: IEC 61000-3-6 i 61000-3-7. Tylko dwóch operatorów wskazało na stosowanie tych dokumentów, większość wykorzystuje wewnętrzne wytyczne opracowane przez operatora. W czterech przypadkach operatorzy nie stosują żadnego z tych dokumentów. Jak wiadomo, przyłączenie obiektu może spowodować niedotrzymanie parametrów jakościowych energii zarówno dla przyłączanego obiektu, jak i dla innych odbiorców, choćby w przypadku, gdy miejsce przyłączenia zlokalizowane jest w rejonie, gdzie występują zaniżone wskaźniki jakościowe.
Dla odbiorców w przemyśle jest to równocześnie ostrzeżenie, że należy stale monitorować jakość dostarczanej energii elektrycznej. W naszych warunkach, niestety, operator nie zawsze wykonuje pomiary w odpowiedzi na skargi odbiorców. W opublikowanym przez URE dokumencie koszt pomiaru wskaźników jakości zasilania kształtuje się na stosunkowo niskim poziomie – średnio od kilkudziesięciu do kilkuset złotych. W przypadku pytania o cenę co najmniej tygodniowego pomiaru (zgodnie z powszechnie przyjętymi regułami), wykonanego stosownym rejestratorem wraz z raportem i wnioskami końcowymi, była to kwota z przedziału 2500 – 8193 zł na punkt pomiarowy. Niestety własne pomiary odbiorców nie są respektowane przez wszystkich operatorów. Warto sprawdzić, jak wygląda to w przypadku operatora, z którego usług chce się korzystać. Nie zawsze cena energii musi być dla odbiorcy najwyższym kryterium.
Jakie zasilanie?
Czułość wykorzystywanych obecnie w zakładach przemysłowych maszyn i urządzeń na jakość zasilania energią elektryczną zmusza do stosowania różnych systemów zabezpieczenia jego ciągłości i jakości. Całościowe podejście do problemu zasilania to tworzenie systemów zasilania gwarantowanego. Potrzeby związane z jakością zasilania są bardzo zróżnicowane. Zazwyczaj po przykrych doświadczeniach zabezpiecza się na przykład przez zasilacz awaryjny, zasilacz UPS (UPS – Uninterruptible Power Supply). Często takich urządzeń pojawia się z czasem w firmie coraz więcej. Jednak również z czasem ich sprawność (zwłaszcza tych o mniejszej mocy) obniża się, jak też nie jest systematycznie kontrolowana. Dlatego docelowym rozwiązaniem z reguły powinno być tworzenie systemów zasilania gwarantowanego. Tworzenie takich instalacji powinno się rozpocząć od etapu zaprojektowania i wykonania instalacji elektrycznej. Tam gdzie szczególnie ważna jest pewność zasilania, stosuje się zasilanie dwutorowe. W tym przypadku w systemie stosuje się pełną redundancję wszystkich elementów sieci energetycznej, zaczynając od podłączenia do obiektu dwu niezależnych linii energetycznych poprzez pozostałe elementy, jak UPS-y, rozdzielnie itp. Nie zawsze taki system, choć dający dużą pewność zabezpieczenia, jest uzasadniony ekonomicznie. Organizując system zasilania awaryjnego w środowisku przemysłowym, należy oszacować łączną moc zasilanych urządzeń i sprzętu, minimalny czas podtrzymania na zasilaniu bateryjnym. W przypadku zastosowań przemysłowych należy uwzględnić prąd rozruchowy silników i generowany poziom zakłóceń harmonicznych. Ważny też jest poziom bezpieczeństwa, który chcemy osiągnąć. W wielu zastosowaniach UPS-y muszą pracować bezpośrednio w środowisku produkcyjnym. W efekcie narażone są na: zapylenie, podwyższoną temperaturę, zalanie, uszkodzenie mechaniczne. Zawsze warto rozważyć instalację zasilaczy awaryjnych w takim miejscu, by ograniczać negatywny wpływ środowiska.
UPS-y i agregaty prądotwórcze
System zasilania gwarantowanego tworzą między innymi UPS-y i agregaty prądotwórcze. Na rynku jest duży wybór tego typu urządzeń o szerokim zakresie mocy, w tym także do prądu trójfazowego. Wiele firm specjalizuje się też w projektowaniu i budowie systemów zasilania gwarantowanego. Na naszym rynku najpopularniejsze marki producentów UPS to APC-MGE (American Power Conversion, jest od 2007 r. częścią koncernu Schneider Electric), Chloride Power, Ever, Gamatronic, Eaton (Powerware), Emmerson, GE i Socomec. Wiele z nich, jak choćby Chloride Power, ma wieloletnie doświadczenie w produkcji i dostarczaniu przemysłowych systemów zasilania awaryjnego (UPS) oraz systemów zdalnego, całodobowego monitorowania i diagnozowania typu jak LIFE.net Chloride. Dedykowane rozwiązania dla przemysłu pozwalają na zabezpieczenia zasilania ważnych dla procesów produkcyjnych urządzeń oraz systemów sterowania.
Z firm specjalizujących się w zakresie systemów gwarantowanego zasilania warto wymienić: AMS Polska, Eaton Power Quality, Encon, Horus-Energia, MGE UPS Systems, Merawex, Siltec, Pex-Pool Plus czy Electronic Power Systems, Comex. Nie można też zapominać o polskich producentach UPS, takich jak na przykład Fideltronik-Inigo czy Ever.
W zastosowaniach przemysłowych liczy się skalowalność oferowanych rozwiązań. Do niedawna ważna była sprawność energetyczna, jednak dziś powszechnie stosuje się nowe technologie, które w przypadku UPS–ów pozwalają uzyskać sprawność na poziomie 99%. Traci na znaczeniu zróżnicowanie UPS-ów ze względu na czas załączenia. W przypadku przeznaczonych dla przemysłu urządzeń są to praktycznie urządzenia określane jako „on line”. W nowych UPS-ach stosuje się prostowniki (mostki) wykonane z półprzewodników IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) – tranzystor bipolarny z izolowaną bramką. Wprowadzenie oprogramowania sterującego pracą prostowników i nie tylko. Dzięki temu można optymalnie nadzorować pracę baterii, w tym uwzględniać np. wpływ temperatury na ich pracę. Znaczącą z punktu widzenia użytkownika funkcją prostownika jest możliwość łagodnego startu, gdy w sieci pojawia się napięcie. W przypadku zasilaczy trójfazowych funkcja miękkiego startu będzie miała znaczenie przy ich współpracy z agregatami prądotwórczymi.
Nie ma obecnie w kraju specjalnych regulacji określających zasady projektowania i budowy instalacji systemów zasilania gwarantowanego. Regulują je wytyczne opracowywane przez instytucje branżowe jak np. SEP.
Zaleca się między innymi, by agregat prądotwórczy miał takie cechy użytkowe, jak:
- samoczynny rozruch przy zaniku napięcia lub obniżeniu się jego parametrów poza określony poziom,
- krótki czas przejęcia całego (100%) obciążenia znamionowego – z zasady kilkanaście sekund,
- stabilne zasilanie odbiorników przy zmianach obciążenia od 0 do 80% do 10% wartości napięcia i nie więcej jak 1% zmiany częstotliwości,
- odporność na przeciążenia do 10% mocy znamionowej przez okres do 1 godziny.
W przypadku systemów UPS zaleca się, by:
- podtrzymanie zasilania przy zaniku lub obniżeniu napięcia przez czas potrzebny do uruchomienia agregatu prądotwórczego lub bezpiecznego wyłączenia odbiorników energii, np. systemów komputerowych,
- zasilanie przefiltrowanym i o możliwie najlepszych parametrach napięciem bez względu na jakość dostarczaną z sieci elektroenergetycznej lub z agregatu,
- komunikowanie się poprzez sieci IT, BMS czy komunikacyjne protokoły przemysłowe z aplikacjami pracującymi w zasilanej sieci.
Dobierając UPS do projektowanego systemu, zaleca się poza podstawowymi parametrami, takimi jak moc znamionowa czy jakość napięcia i częstotliwość na wyjściu, zwrócenie uwagi na dynamiczne parametry zasilania przy skokach obciążenia (mniejsze, równe 3%), czy na odporność na przeciążenia. Z podawanych przez producentów urządzeń parametrów, to wysoki wejściowy współczynnik mocy PF (Power Factor) powyżej 0,9. Jest to stosunek mocy czynnej do mocy pozornej, czyli mocy zespolonej, obliczany zgodnie ze wzorem:
PF = P / S
gdzie
P – moc czynna,
S – moc pozorna.
Oczywiście ideałem byłby współczynnik mocy równy jedności, ale praktycznie tak nie jest. Liczy się też niska zawartość harmonicznych prądowych zarówno na wejściu THDi poniżej 10%, jak i na wyjściu poniżej 3%.
W praktyce stosuje się układy równoległych UPS-ów podłączonych do jednej wspólnej szyny. Można dzięki temu uzyskać zwiększenie mocy, redundancję, czyli wzrost bezpieczeństwa, jak również daje to możliwość obsługi i napraw bez przerwy w zasilaniu. Należy jednak pamiętać, że nie wszystkie zasilacze mogą pracować w układach równoległych. Układ taki musi być wsparty przez odpowiedni system synchronizacji i mieć możliwość wybiórczego izolowania urządzeń uszkodzonych.
Warto wspomnieć też o układach samoczynnego załączania rezerwy (SZR). Na rynku dostępne są urządzenia w trzech podstawowych wykonaniach ze względu na typ przełączanych urządzeń: sieć – sieć, sieć – agregat, sieć – agregat – UPS. Spotyka się w nich między innymi funkcje, takie jak: blokada programowa, elektryczna i mechaniczna (zgodnie z PN-EN 60947-6-1), programowane czasy zwłoki w zadziałaniu i przerwy w przełączaniu, automatyczne okresowe testowanie agregatu, komunikacja z UPS, wejście wyłącznika pożarowego.
Praktycy radzą
Dziś o jakości systemu zasilania świadczą komunikaty i ostrzeżenia, jakie otrzymuje użytkownik. Liczy się możliwość współpracy z systemami IT oraz zdalnego monitorowania i zarządzania. W sieciach gwarantowanych zasilanych przez UPS, jeśli jest taka możliwość, warto rozważyć stosowanie niestandardowych gniazdek. Zapobiega to włączaniu do sieci (czasem przypadkowo) innych odbiorników energii, które – poza dodatkowym obciążeniem systemu, mogą wprowadzać do niego zakłócenia. Powinna być też możliwość wyłączenia zasilania UPS w sytuacjach awaryjnych, na przykład przez wyłącznik umieszczony w pobliżu wyłącznika głównego p/poż. W innej sytuacji w czasie prowadzenia akcji gaśniczej nadal część sieci energetycznej może być zasilana awaryjnie, co grozi porażeniem gaszących pożar.
W zasilaczach UPS istotne są też wewnętrzne układy nadmiarowe (np. wentylatory, sterowniki) umożliwiające kontynuację pracy zasilacza UPS w razie awarii jednego z jego elementów. Jeśli nie można zainstalować zasilaczy w wydzielonym pomieszczeniu, to warto pomyśleć o dodatkowych filtrach powietrza, chroniących przed kurzem i innymi drobnymi zanieczyszczeniami, negatywnie wpływającymi na efektywność pracy sprzętu.
Z obserwacji sytuacji na rynku wynika, że często systemy zabezpieczenia są przewymiarowane w stosunku do aktualnych potrzeb. Podnosi to koszty użytkowania systemu bez realnego wpływu na bezpieczeństwo zasilania. Jednak nie należy też dopuszczać do stałego przeciążania systemu i jeśli jest to konieczne, rozbudować go lub wymienić.
Jak uważa Wojciech Ptak z firmy Encon, mającej w swojej ofercie urządzenia Chloride, użytkownicy UPS-ów bardzo często nie są zorientowani w tym, że dla utrzymania maksymalnej żywotności urządzenia należy zapewnić mu optymalne warunki pracy, a przede wszystkim odpowiednie pomieszczenie, w którym maksymalna temperatura nie powinna przekraczać 25°C. Należy pamiętać, że UPS to nie tylko podtrzymanie napięcia zasilającego, ale również ochrona przeciwprzepięciowa i zabezpieczenie przed różnymi anomaliami występującymi w sieci podłączonych do zasilacza urządzeń. Dlatego, jak uważa, zakup samego UPS-a już jest oszczędnością, która zabezpiecza przed wydatkiem związanym z awarią niezabezpieczonego sprzętu.
W przypadku firmy Encon i innych działających na naszym rynku w ofercie są nie tylko UPS-y jako rozwiązania do samodzielnego montażu i konfiguracji, ale również oferuje się doradztwo w kwestii doboru zasilaczy, dostawę i konfigurację UPS-a u klienta oraz serwis. Z nowości Wojciech Ptak wymienia nowe narzędzie konfiguracyjne Chloride systemu Trinergy. Narzędzie to jest aplikacją on-line, która umożliwia zbudowanie wirtualnego systemu Trinergy, dostosowując konfigurację do indywidualnych wymagań mocy i przestrzeni. Jednym kliknięciem myszy można zbudować własny system UPS spełniający indywidualne wymagania.
Będzie lepiej?
W listopadzie br. powstało konsorcjum Smart Power Grids – Polska. Inteligentne sieci elektroenergetyczne (tzw. smart grids) to sieci, które zarządzane będą przy pomocy nowoczesnych technologii telekomunikacyjnych i informatycznych. Pozwoli to zapewnić odpowiednią jakość dostaw, dając z jednej strony odbiorcom informacje pozwalające na racjonalizację zużycia energii, a z drugiej strony – wyposażą operatorów systemów w potrzebne i aktualne informacje, które umożliwią odpowiednie zabezpieczenie systemu. Mimo stałego postępu w jakości dostarczanej energii elektrycznej zawsze zostanie miejsce na rynku dla urządzeń zasilania gwarantowanego.
Podsumowując, choć należy dbać o jakość i pewność zasilania, to nie można popadać w skrajności. Nie wszędzie warto stosować zabezpieczenia o dużej niezawodności czy redundancję. Na pewno pierwsze do zabezpieczenia powinny być wszystkie systemy IT.
Autor: Bohdan Szafrański
