Zasilanie awaryjne budynków przemysłowych. Jak współpracują agregat prądotwórczy i zasilacz UPS?
Hale przemysłowe są często obiektami wymagającymi dużej ciągłości, niezawodności i pewności zasilania. Konieczne jest w związku z tym stosowanie w ich układach zasilania źródeł rezerwowych. Jak zapewnić poprawną pracę układów agregat prądotwórczy - UPS?.
Spis treści
- Po co stosować zasilanie awaryjne?
- Skutki braku zasilania w budynku przemysłowym
- Jak zapewnić ciągłość zasilania?
- Charakterystyka agregatów prądotwórczych
- Charakterystyka zasilaczy awaryjnych UPS
- Jak tworzyć układy agregat prądotwórczy - UPS?
Po co stosować zasilanie awaryjne?
Niezawodność i pewność zasilania ma istotne znaczenie dla większości obiektów przemysłowych, m.in. hal przemysłowych. Budynki te są bardzo zróżnicowane, również w kwestii zasilania, co wynika przede wszystkim z ich przeznaczenia, różnych wartości zapotrzebowanych mocy, liczby i rodzaju odbiorników w nich zainstalowanych, wymagań dotyczących niezawodności i pewności zasilania, konfiguracji sieci elektroenergetycznej, odległości od stacji energetyki zawodowej oraz technicznych i ekonomicznych możliwości realizacji określonych rozwiązań.
Skutki braku zasilania w budynku przemysłowym
Większość użytkowanych obecnie odbiorników w halach przemysłowych to urządzenia, które wymagają ciągłego zasilania energią elektryczną o określonych parametrach. Każdy, nawet najmniejszy zapad, zanik lub zakłócenie powstałe w sieci elektroenergetycznej może spowodować straty związane z przestojami urządzeń zainstalowanych w halach, ich wadliwą pracą lub uszkodzeniem.
Z punktu widzenia pewności zasilania odbiorniki przemysłowe dzieli się na trzy kategorie: o największej pewności zasilania (kategoria I), o zwiększonej pewności zasilania (kategoria II) i o zwykłej (normalnej) pewności zasilania (kategoria III). Podział ten ma ścisły związek ze skutkami, jakie może powodować przerwa w ich pracy. Przykładowo w przypadku odbiorników kategorii I brak zasilania może wiązać się z zagrożeniem życia ludzkiego, zniszczeniem urządzeń lub materiałów czy zahamowaniem ważnego procesu technologicznego. Wymagane jest, aby ich zasilanie było realizowane co najmniej z dwóch niezależnych źródeł, ponadto musi mieć jedno rezerwowe.
W przypadku odbiorników kategorii II przerwa w dostawie energii może spowodować duże straty materialne i/lub społeczne. Urządzenia te również powinny mieć zagwarantowane zasilanie rezerwowe, jednak tylko dla najważniejszych odbiorów (z reguły 30–60%). Dla najliczniejszej grupy odbiorników, należącej do III kategorii, nie przewiduje się zwykle zasilania rezerwowego. Przedstawione zalecenia mają charakter literaturowy, wynikają z długoletniej praktyki projektowej i w zasadzie nie znajdują potwierdzenia w aktualnych aktach prawnych. Warunki zasilania określane są przez inwestora oraz przedsiębiorstwo energetyczne (operatora systemu dystrybucyjnego) i realizowane przez projektanta instalacji elektroenergetycznej w obiekcie przemysłowym.
Czytaj więcej: Zasilacze awaryjne UPS. Jak dobierać zasilacze awaryjne UPS?
Jak zapewnić ciągłość zasilania?
Odpowiedni poziom niezawodności i pewności zasilania uzyskuje się m.in. przez stosowanie rezerwowych źródeł zasilania (agregatów prądotwórczych, zasilaczy UPS, zespołów agregat prądotwórczy/UPS) wyposażonych w automatykę SZR (Samoczynne Załączanie Rezerwy). Przy czym efektywne ekonomicznie rozwiązanie wymaga podziału układu zasilania hal przemysłowych na sekcje o zróżnicowanych poziomach niezawodności: zasilania podstawowego nierezerwowanego, podstawowego rezerwowanego i o bezprzerwowym gwarantowanym zasilaniu.
Zalecenia dotyczące konieczności stosowania rezerwowych źródeł zasilania zawarte są w polskiej normie oraz podstawowym akcie wykonawczym do ustawy „Prawo Budowlane” – rozporządzeniu. Ten ostatni dokument nakazuje, aby budynek, w którym zanik napięcia w sieci zasilającej może spowodować zagrożenie życia lub zdrowia ludzi, poważne niebezpieczeństwo dla środowiska, a także znaczne straty materialne, był zasilany co najmniej z dwóch niezależnych, samoczynnie załączających się źródeł energii elektrycznej oraz wyposażony w automatycznie uruchamiające się oświetlenie awaryjne (zapasowe lub ewakuacyjne). O sposobie realizacji tych wymagań decyduje projektant instalacji elektrycznej w budynku.
Wytyczne te odnoszą się do hal przemysłowych. Przy zasilaniu tych ostatnich często czas przerw w dostawie energii musi być skrócony do kilku sekund. Tradycyjne układy z wykorzystaniem sieci energetyki zawodowej, pozwalające zapewnić takie działanie, są złożone i drogie w realizacji. Wówczas, aby utrzymać ciągłość pracy w hali przemysłowej zgodnie z zastosowaną technologią, konieczne jest wykorzystanie rezerwowych źródeł zasilania (agregatów prądotwórczych, zasilaczy UPS lub zespołów agregat prądotwórczy/zasilacz UPS).
Charakterystyka agregatów prądotwórczych
Agregaty prądotwórcze stanowią one źródło zasilania energią elektryczną z możliwym bardzo długim czasem podtrzymania (nawet do kilku dni). Są to prądnice lub generatory napędzane najczęściej wysokoprężnym silnikiem spalinowym. Ich rozruch trwa zwykle od kilku do kilkunastu sekund, dlatego wykorzystanie tych urządzeń jako źródeł zasilania rezerwowego w hali przemysłowej może mieć miejsce jedynie w przypadku odbiorów, dla których taka przerwa w zasilaniu jest dopuszczalna.Agregaty produkowane są w bardzo szerokim zakresie mocy znamionowych – od kilku kW do kilku MW.
Przy czym na rynku krajowym znajduje się bardzo wiele ich rozwiązań, które można podzielić pod względem różnych kryteriów, np. typu silnika napędowego czy prądnic, sposobu zabudowy, rodzaju sterowania, czasu rozruchu czy występowania koła zamachowego w układzie. Urządzenia te charakteryzują m.in. takie parametry, jak: moc znamionowa, napięcie wyjściowe czy klasa wykonania. Moc znamionowa może być trojaka: trwała (ciągła), którą agregat jest w stanie dostarczać w sposób ciągły przez nieograniczony czas w roku, szczytowa – największa możliwa moc, jaką może uzyskać agregat, i awaryjna – dla limitu czasowego 500 godzin w roku. Klasa wykonania natomiast informuje, jakie napięcie wytwarza urządzenie (amplituda, kształt, częstotliwość – określa dokładną wartość oraz stabilność tych parametrów). Jest ona równoważna klasie wymagań i decyduje o grupie odbiorników, które agregat może zasilać – G1, G2, G3 lub G4. Klasa G3 dotyczy zasilania odbiorników o zwiększonych wymaganiach jakościowych w zakresie dostarczanej energii elektrycznej (np. zasilacze UPS), a klasa G4 – zasilania odbiorników o wysokich wymaganiach w tej kwestii.
Charakterystyka zasilaczy awaryjnych UPS
Urządzenia te umożliwiają bezprzerwowe zasilanie. Podtrzymują pracę odbiornika lub grupy odbiorników przez stosunkowo krótki czas w sytuacji przerwy w zasilaniu (zwykle 10–15 minut) oraz chronią podłączone do niego urządzenia przed nagłym wzrostem napięcia.Zasilacze UPS są urządzeniami energoelektronicznymi, które stanowią wtórne źródło energii elektrycznej – ich akumulatory ładują się w czasie, gdy napięcie w sieci zasilającej jest prawidłowe. Przełączanie źródła zasilania odbywa się bezprzerwowo.Po przejęciu zasilania podłączonych do niego odbiorników czas podtrzymania napięcia zależy od pojemności akumulatorów i poboru energii. Baterie mają określoną trwałość i trzeba je okresowo wymieniać.Zasilacze awaryjne UPS produkowane są w bardzo szerokim zakresie mocy znamionowych. Te przeznaczone dla odbiorów indywidualnych mają moc do 10 kVA i wykonuje się je przeważnie w technologii line-interactive.
Natomiast modele wykorzystywane dla odbiorów grupowych osiągają moc od 10 do 100 kVA (urządzenia średniej mocy) i ponad 100 kVA (urządzenia dużej mocy). Produkowane są w technologii on-line z podwójnym przetwarzaniem (konwersją) i ze stabilizowanym napięciem sinusoidalnym na wyjściu zasilacza UPS. Na rynku krajowym dostępnych jest wiele rozwiązań, które można podzielić pod względem różnych kryteriów, np. wzajemnej zależności wartości napięcia wejściowego i jego częstotliwości od parametrów napięcia na wejściu układu (VFD, VI,VFI), ich struktury wewnętrznej czy poziomu mocy. W topologii VFD (off-line) zasilacz UPS pracuje normalnie z sieci, filtrując napięcie wejściowe, natomiast napięcie i częstotliwośćwyjściowa nie są regulowane (mają takie same parametry, jak sieć zasilająca). Po przekroczeniu wartości zakresu napięcia wejściowego lub częstotliwości następuje przełączenie na pracę bateryjną w czasie kilku ms. W topologii VI (line-interactive) UPS pracuje normalnie z sieci o niezależnej częstotliwości (jak częstotliwość sieci) i regulowanej wartości napięcia w zadanym przedziale bez wykorzystania energii z baterii akumulatorów.
Gdy napięcie i częstotliwość sieci znajdą się poza zadaną tolerancją, następuje przełączenie na pracę z baterii, analogicznie jak w przypadku urządzeń off-line. W topologii VFI (on-line) zasilacz awaryjny w czasie pracy normalnej dwukrotnie konwertuje energię z prądu przemiennego na stały i odwrotnie, a na wyjściu dostarczane jest zasilanie o stabilnych parametrach napięcia i częstotliwości. Gdy energia z sieci nie spełnia warunków dopuszczalnych przez UPS (napięcie, częstotliwość), następuje przełączenie na pracę z baterii. Przy czym na wyjściu urządzenia nie zachodzi przerwa w zasilaniu, zmiana trybu pracy odbywa się w zerowym czasie.Zasilacze awaryjne małej mocy mogą być wyposażone w szereg układów podnoszących ich funkcjonalność, poprawiających komfort użytkowania i zwiększających zakres ich zastosowań, ważnych w kontekście współpracy takiego zasilacza z agregatem prądotwórczym. Należą do nich m.in. układy: „zimnego startu” (RST), stabilizacji napięcia wyjściowego (AVR), współpracy UPS-a z agregatem prądotwórczym (AG), ciągłego pomiaru mocy pobieranej przez zabezpieczane urządzenia (CPM), wymiany akumulatorów przez użytkownika (GWA), wyjścia bez podtrzymania zasilania podczas pracy awaryjnej (WBP), sekwencyjnego odłączania wyjść (SOW), kalibracji czasu podtrzymania (KCP), automatycznego startu zasilacza (AS). Układ AG umożliwia współpracę UPS-a z agregatem prądotwórczym.
Zapewnia podtrzymanie zasilania w czasie, gdy na skutek awarii dostawa energii realizowana jest przez agregat prądotwórczy.W hali przemysłowej w zależności od rozmieszczenia odbiorników wymagających bezprzerwowego zasilania stosuje się centralny system zasilania (jeden lub kilka UPS-ów zasila wszystkie odbiory) lub zasilanie rozproszone (UPS-y o mniejszej mocy zasilają mniejsze grupy odbiorników lub pojedyncze odbiorniki). Optymalny wybór rozwiązania wynika z wymagań niezawodności układu zasilania, podziału odbiorników na grupy, ich lokalizacji, kalkulacji kosztów systemu UPS i instalacji zasilającej oraz możliwości monitoringu i zarządzania.
Jak tworzyć układy agregat prądotwórczy - UPS?
Agregat prądotwórczy i zasilacz UPS stanowią wprawdzie dwa różne technologicznie urządzenia, niemniej jednak mogą ze sobą współpracować. Układy agregat prądotwórczy/UPS, określane często mianem hybrydowych lub tandemów, umożliwiają zasilanie bezprzerwowe, które charakteryzuje się zarówno dobrymi parametrami przełączeniowymi, jak i dowolnie długim czasem podtrzymania. Podczas krótkotrwałej przerwy w zasilaniu, kiedy następuje rozruch agregatu, zapotrzebowanie na energię elektryczną jest w pełni pokrywane przez energię zgromadzoną w baterii UPS-a. Przejmuje on rolę źródła zasilania niezwłocznie po zaniku napięcia w sieci zasilania podstawowego hali przemysłowej.
Po uruchomieniu agregatu energia jest dostarczana przez UPS do odbiornika. W tym rozwiązaniu zainstalowany agregat prądotwórczy stanowi alternatywne źródło energii, na które instalacja zasilająca przełącza się po awarii głównego. Układy agregat/UPS gwarantują pewne zasilanie, nawet odbiorom o najwyższych wymaganiach. Podstawowym warunkiem ich poprawnej pracy jest właściwa konfiguracja, umiejętne zaprojektowanie układu przełączającego oraz dobór urządzeń o odpowiednich parametrach. Moce zespołu prądotwórczego oraz zasilacza UPS powinno się dobierać do wymagań odbiorników i należy je oszacować na drodze analitycznej lub pomiarowej.
W przypadku doboru mocy agregatu trzeba wskazać, które odbiorniki elektryczne będą nim zasilane – wyróżnić jedno- i trójfazowe oraz określić zapotrzebowanie na moc każdego z nich. Następnie należy zsumować moce uruchamianych równocześnie odbiorników i wybrać taki agregat prądotwórczy, który pokryje zapotrzebowanie z 20–30-procentowym zapasem. Nadwyżkę mocy stosuje się ze względów praktycznych, na wypadek ewentualnego przyłączenia dodatkowych urządzeń, okresowego wzrostu mocy odbiorów lub błędów w szacowaniu mocy odbiorników.W przypadku doboru mocy zasilaczy UPS istotna jest informacja o koncepcji układu zasilania rezerwowego gwarantowanego, dostosowanego do wymagań odbiorników (centralny, mieszany, rozproszony) i określenie mocy zapotrzebowanej przez odbiory, wykorzystując jedną z metod obliczeniowych, np. metodę współczynnika zapotrzebowania (kz). Ponadto przy doborze mocy UPS-a dla silników lub odbiorników nieliniowych dla jego poprawnego funkcjonowania powinno się uwzględnić prądy rozruchowe oraz odkształcone. Nie mogą one przekraczać wartości prądu znamionowego zasilacza UPS ani jego chwilowego przeciążenia określonego w karcie katalogowej.
Przy doborze zaleca się przewymiarowanie mocy odbiorników (zwykle na poziomie 20%), które umożliwia uwzględnienie błędów w szacowaniu mocy, okresowego jej wzrostu oraz modyfikacji związanych np. z rozbudową obiektu, zmianami liczby i rodzaju urządzeń w obiekcie.W przypadku doboru mocy agregatu prądotwórczego zasilającego UPS, jego moc powinna być co najmniej równa mocy pobieranej przez zasilacz awaryjny i powiększona o współczynnik przewymiarowania agregatu, wynikający z konieczności uwzględnienia sprawności UPS-a, mocy potrzebnej na ładowanie baterii akumulatorów, zniekształceń THDi wprowadzanych do źródła zasilania przez UPS, charakteru obciążeń odbiorników itp. Współczynnik przewymiarowania zespołu prądotwórczego w stosunku do mocy zasilacza UPS w praktyce kształtuje się na poziomie 1–1,7. Jego właściwe przyjęcie wymaga dużej wiedzy specjalistycznej i doświadczenia projektanta takich układów. Jeśli agregat prądotwórczy oprócz UPS-a zasila również inne odbiorniki, to przy doborze należy dodatkowo uwzględnić ich sumaryczną moc w sposób wcześniej określony.Zespół prądotwórczy i zasilacz UPS są urządzeniami bardzo różniącymi się technologicznie. Przy ich doborze warto zwrócić szczególną uwagę na parametry agregatu prądotwórczego, które są istotne dla prawidłowej pracy zasilacza UPS i odwrotnie.
Z punktu widzenia UPS-a napięcie z zespołu prądotwórczego powinno charakteryzować się m.in. odpowiednią stabilnością napięcia agregatu (tolerancją napięcia) i częstotliwości napięcia (tolerancją częstotliwości) oraz niskim poziomem zawartości harmonicznych napięcia THDu. Tolerancja napięcia i częstotliwości agregatu powinna być wyższa od tolerancji napięcia i częstotliwości na wejściu prostownika zasilacza UPS. Jest to szczególnie istotne w stanach nieustalonych, powstałych po skokowym załączeniu obciążenia na pracujący agregat.
Z punktu widzenia agregatu prądotwórczego zasilacz UPS powinien być wyposażony w regulowany softstart prostownika i charakteryzować się m.in. niskim poziomem zawartości harmonicznych prądu THDi pobieranego przez prostownik, odpowiednią wartością współczynnika mocy prostownika ograniczającą pobór energii biernej z zespołu prądotwórczego oraz właściwą tolerancją napięcia wejściowego.Konsekwencje niepoprawnego doboru współdziałającego agregatu prądotwórczego i zasilacza UPS mogą być zróżnicowane i prowadzić do niewłaściwej pracy i/lub poważnych zakłóceń, również z wyłączeniem układu agregat prądotwórczy/UPS lub jego elementów, a w konsekwencji pozbawienia układu zasilania cech zasilania rezerwowego i bezprzerwowego gwarantowanego. Przykładowo zasilacz UPS po przyłączeniu do niego napięcia z zespołu prądotwórczego może nie chcieć z nim współpracować albo zespół będzie zatrzymywał się z bliżej nieokreślonych przyczyn.
Wynika to z faktu, że w przypadku układu agregat prądotwórczy/UPS urządzenia składowe pracują razem (agregat zasila UPS) i może pojawić się wiele problemów wynikających z procesów zachodzących pomiędzy oddziałującymi na siebie agregatem prądotwórczym, zasilaczem UPS i odbiornikami oraz pracą automatyki sterującej tych urządzeń. Problemy te niestety mogą być trudne do właściwej identyfikacji, a ich rozwiązanie wymaga często specjalistycznej wiedzy i dużego doświadczenia, co może wiązać się ze znacznymi kosztami.
Wspomniane problemy dotyczą m.in. takich zjawisk jak: udary prądowe, prądy harmoniczne, wahania napięcia i częstotliwości. Wynikają one z faktu, że większość zasilaczy UPS zawiera układy bateryjne z kontrolą ładowania (prostownik), które powodują gwałtowny pobór mocy z sieci zasilającej czy agregatu prądotwórczego. Udary tego typu mogą powodować zakłócenia w pracy odbiorników. Ponadto urządzenia ładujące stosowane w zasilaczach UPS zwykle powodują odkształcenia prądu pobieranego z sieci zasilającej. Jest to zjawisko bardzo niepożądane. Dodatkowo w układzie agregat prądotwórczy/UPS, w sytuacji gdy agregat jest uruchamiany i następuje przyłączenie zasilacza UPS, wzrost obciążenia może spowodować nagłe wahania częstotliwości i napięcia.
Natomiast jeśli moc agregatu jest zbytnio zbliżona do mocy zasilacza UPS i kiedy inne obciążenie agregatu jest zbyt małe lub nie występuje, może nastąpić nagły niekontrolowany wzrost napięcia. Właściwy dobór rozwiązań oraz parametrów zasilaczy UPS i agregatów prądotwórczych przeznaczonych do pracy w tandemie pozwala na zabezpieczenie się przed tymi niekorzystnymi zjawiskami, jednak jak wspomniano, wymaga dużej wiedzy i doświadczenia w tym obszarze.
Nie można tego przypadku porównać do sytuacji, w której agregat prądotwórczy czy zasilacz UPS pracuje osobno na określoną grupę odbiorników. Wówczas eksploatacja takiego urządzenia, w sytuacji gdy jest prawidłowo dobrane, przeważnie nie stwarza problemów. Jeśli jednak one wystąpią, stosunkowo łatwo można je rozpoznać, zdiagnozować i rozwiązać. Wiążą się one głównie z przeciążeniem, zakłóceniami albo awarią urządzeń zasilających.
