Układy zasilania dodatkowego

Spis treści

 

     1. Wstęp

      Zgodnie z rozporządzeniem Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [tekst jednolity Dz.U.2015.1422], budynek, w którym zanik napięcia w elektroenergetycznej sieci zasilającej może spowodować zagrożenie życia lub zdrowia ludzi, poważne zagrożenie środowiska, a także znaczne straty materialne, należy zasilać co najmniej z dwóch niezależnych, samoczynnie załączających się źródeł energii elektrycznej oraz wyposażać w samoczynnie załączające się oświetlenie awaryjne (zapasowe lub ewakuacyjne). W budynku wysokościowym (czyli ponad 55 m nad poziomem terenu),jednym ze źródeł zasilania powinien być zespół prądotwórczy.
      Decyzję o zasilaniu budynku mieszkalnego z dwóch niezależnych źródeł energii elektrycznej należy podjąć na etapie projektowania w porozumieniu z inwestorem.
      W przypadku zaniku napięcia w torze zasilania podstawowego obiektu przełączenie na zasilanie rezerwowe (z innej sieci elektroenergetycznej) lub zasilanie awaryjne (z zespołu prądotwórczego), powinno obywać się automatycznie z wykorzystaniem automatyki samoczynnego załączenia rezerwy (SZR).
      Samoczynne załączenie rezerwy (SZR) jest układem elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej, którego zadaniem jest włączenie zasilania ważnych odbiorów energii elektrycznej z rezerwowego lub awaryjnego toru zasilania w przypadku nadmiernego obniżenia się napięcia lub wyłączenia z ruchu podstawowego źródła zasilania. Źródłem rezerwowym może być sieć elektroenergetyczna, natomiast zespół prądotwórczy jest awaryjnym źródłem zasilania.
     Obiektami wymagającymi zwiększonej pewności zasilania są obiekty użyteczności publicznej jak: szpitale, banki, ważne urzędy państwowe, stacje pogotowia ratunkowego, obiekty wojskowe, zawodowa straż pożarna, obiekty łączności i inne.

▲ do góry

      2. Układy zasilania rezerwowego

     Zadaniem automatyki SZR sieci/sieć jest włączenie rezerwowego źródła zasilania odbiorników energii elektrycznej w przypadku utraty zasilania w torze podstawowym. Elementami toru rezerwowego mogą być linie elektroenergetyczne lub transformatory. W przypadku utraty zasilania w torze podstawowym układ automatyki SZR sieć/sieć przełącza tor zasilający na rezerwowe źródło zasilania.
      Układy samoczynnego zasilania rezerwowego (SZR) mogą pracować, jako:
      - rezerwa jawna,
      - rezerwa ukryta.
      Układy samoczynnego zasilania rezerwowego (SZR) z rezerwą jawną lub z rezerwą ukrytą przestawiono na rysunku 1..

                    
Rys. 1. Schematy układów SZR a) z rezerwą jawną, b) z rezerwą ukrytą

      1) W układach z rezerwą jawną- podstawowym źródłem zasilającym jest transformator T1 natomiast transformator T2 stanowi źródło rezerwowe.
      W stanie normalnej pracy włączone są wyłączniki W1 oraz W2, natomiast wyłączniki W3 oraz W4 są otwarte.
      W przypadku zaniku napięcia w torze zasilającym transformator T1, wyłączniki W1 oraz W2 zostają otwarte natomiast wyłączniki W3 oraz W4 - włączone. Zasilanie jest w tym przypadku realizowane przez transformator T2.
      W przypadku powrotu napięcia w torze zasilającym transformator T1, następuje otwarcie wyłączników W3 i W4, natomiast wyłączniki W1 i W2 zostają włączone. Takie samo postępowanie obowiązuje w przypadku zaniku napięcia w torze zasilającym transformator T2.
      2) W układach z rezerwą ukrytą, w normalnych warunkach pracują oba źródła, wyłącznik sprzęgłowy WS jest otwarty, a rezerwa tkwi w niepełnym wykorzystaniu ich mocy lub w możliwości ich przeciążenia. Grupy odbiorników 01 i 02 zasilane są z odrębnych szyn. W przypadku uszkodzenia dowolnego elementu toru i pozbawienia jednej sekcji napięcia układ SZR spowoduje zamknięcie wyłącznika sekcyjnego W5, przywracając zasilanie wyłączonej sekcji.
      Istotne znaczenie dla SZR odgrywa czas zadziałania i czas przerwy, dobrane do warunków pracy zasilanych odbiorników. Czasy te są sobie równe wówczas, gdy urządzenie do samoczynnego załączenia rezerwy zostaje pobudzone do działania przez otwarcie wyłącznika źródła zasilania podstawowego. Jest to tzw. skrócony cykl SZR.
      Czas zadziałania jest dłuższy od czasu przerwy w przypadku, jeżeli przyczyną rozruchu urządzenia do SZR jest zanik napięcia w źródle podstawowym. Brak napięcia stanowi tu kryterium pobudzenia SZR; następuje pełny cykl samoczynnego załączenia rezerwy. Ze względu na czas działania rozróżnia się:
      - urządzenia powolnego SZR o czasie przerwy dostatecznie długim dla wytłumienia szczątkowego napięcia,
        większym od około 0,4 s,
      - urządzenia szybkiego SZR o czasie przerwy na tyle krótkim, aby wektory napięcia sieciowego i szczątkowego
        nie zdążyły się jeszcze rozejść. Czas ten powinien być nie krótszy niż ok. 0,25 s.

      Jeżeli odbiornikami są silniki elektryczne zasilane z szyn zbiorczych rezerwowanych, czas przerwy powinien być dobrany z uwzględnieniem niebezpieczeństwa włączenia tych silników na napięcie rezerwowe. Na zaciskach silnika asynchronicznego występuje tzw. napięcie szczątkowe (resztkowe) o znikającej amplitudzie i malejącej częstotliwości. Napięcie szczątkowe może się znaleźć w przeciwfazie z napięciem źródła rezerwowego po czasie przerwy trwającej ok. 0,25 do 0,4 s; amplituda napięcia szczątkowego po tym czasie może być jeszcze dość znaczna (powyżej 0,3 Uf). Załączenie silnika pod napięcie w tym przedziale czasu może być dla niego groźne.

▲ do góry

      3. Układy zasilania ze źródła awaryjnego

      3.1 Zespoły prądotwórcze. Rodzaje, budowa i zasada działania.
      Zespół prądotwórczy jest powszechnie stosowanym źródłem zasilania awaryjnego. Zadaniem zespołu prądotwórczego jest zasilanie odbiorników energii elektrycznej w przypadku nadmiernego obniżenia się napięcia lub wyłączenia z ruchu podstawowego źródła zasilania.
      W przypadku sterowania ręcznego czas jaki upływa od zaniku napięcia w sieci elektroenergetycznej do podania go ze źródła awaryjnego przekracza 1 minutę. Jeżeli sterowanie odbywa się za pomocą układu automatyki SZR (samoczynne załączenie rezerwy) włączenie zespołu prądotwórczego odbywa się automatycznie. Czas rozruchu odbywa się z opóźnieniem od 5 do 10 s.
      Obecnie są stosowane układy z krótkim czasem rozruchu oraz układy z zerowym czasem przełączenia na zasilanie awaryjne.

      Zespół prądotwórczy składa się z następujących elementów:
      - generatora (prądnicy synchronicznej) służącego do zamiany energii mechanicznej na energię elektryczną,
      - silnika spalinowego, który zamienia energię chemiczną paliwa na energię mechaniczną,
      - regulatora prędkości obrotowej,
      - regulatora napięcia generatora,
      - układu wzbudzenia generatora,
      - układu sterowania,
      - układu rozruchu,
      - aparatury łączeniowej.

      3.2. Zespoły prądotwórcze dzielą się na:
      1) Zespoły stacjonarne; są urządzeniami elektroenergetycznymi o stosunkowo dużej mocy, instalowane na stałych fundamentach w odpowiednio przystosowanych pomieszczeniach. W układzie elektroenergetycznym spełniają podstawową rolę zasilaczy rezerwowo-awaryjnych dla odbiorów energii elektrycznej wymagających dużej pewności zasilania. Zespoły stacjonarne wyposażone są w samoczynne urządzenia rozruchowe, powodujące uruchomienie zespołu natychmiast po zaniku zasilania podstawowego oraz zatrzymujące zespół, po ponownym pojawieniu się napięcia w torze podstawowym. Zespoły stacjonarne są wyposażone w odpowiednio duże zbiorniki paliwa i są przystosowane do długotrwałej pracy;
      2) Zespoły przewoźne (ruchome); instalowane na odpowiednio przystosowanych przyczepach i przewożone za pomocą różnych środków transportowych. Zespoły przewoźne są w szczególności rozpowszechnione w obszarach o słabo rozwiniętej strukturze elektroenergetycznej i częstych przerwach w dostawie energii. Znajdują zastosowanie na budowach oraz do zasilania różnych urządzeń polowych. Służą wtedy do zasilania oświetlenia, klimatyzacji pomieszczeń i drobnych odbiorów silnikowych w sklepach, magazynach, warsztatach rzemieślniczych, a także w domach mieszkalnych. Zespoły przewoźne muszą cechować się prostą konstrukcją o dużej wytrzymałości mechanicznej, przystosowane do obsługi przez osoby poinstruowane.

      Z reguły zespoły prądotwórcze są zasilane silnikami spalinowymi wysokoprężnymi lub benzynowymi. Generatory zespołów prądotwórczych są maszynami synchronicznymi trójfazowymi o częstotliwości 50 Hz i napięciu znamionowym wynoszącym zazwyczaj 0,4 kV.
      Moce stosowanych obecnie zespołów prądotwórczych zawierają się w granicach od kilku kVA do 6 MVA przeznaczone do różnych sposobów eksploatacji oraz do zabudowy w pomieszczeniu, w wolno stojącym kontenerze lub mieć charakter przewoźny. Budowane są też zespoły prądotwórcze o innych parametrach napięcia znamionowego i mocy, w tym zespoły jednofazowe i prądu stałego.
      Zespoły prądotwórcze są dostarczane przez producentów jako urządzenia kompletne, stałe lub ruchome, wyposażone w pełny zespół przyrządów pomiarowych, automatyki i sterowania.

      Do podstawowych sposobów eksploatacji zespołów prądotwórczych należy zaliczyć:
      - eksploatację ciągłą, podczas której zespół prądotwórczy pracuje przez cały czas, a przerwy w pracy
        związane są z koniecznością prowadzenia bieżącej konserwacji lub napraw;
      - eksploatacja czasową, podczas której zespół prądotwórczy pracuje w określonych przedziałach czasu.

      Według PN-ISO 8528-1 (Zespoły prądotwórcze prądu przemiennego napędzane silnikiem spalinowym tłokowym. Zastosowanie, klasyfikacja i wymagania eksploatacyjne.)występują cztery klasy wymagań eksploatacyjnych:
      1) Klasa wymagań G1  dotyczy odbiorników, które wymagają spełnienia podstawowych parametrów
          w zakresie napięcia oraz częstotliwości, takich jak np. oświetlenie, ogrzewanie elektryczne itp.;
      2) Klasa wymagań G2  dotyczy zasilania odbiorników, dla których wymagania w zakresie jakości
          dostarczanej energii elektrycznej są zbliżone do wymagań określonych w odniesieniu do publicznych
          sieci elektroenergetycznych. W przypadku zmian w obciążeniu dopuszczalne są chwilowe odchylenia
          od znamionowych wartości napięcia i częstotliwości. Do odbiorników spełniających wymagania tej klasy
          należy zaliczyć: oświetlenie, pompy, wentylatory, dźwigi itp.;
      3) Klasa wymagań G3  dotyczy zasilania odbiorników o zwiększonych jakościowych wymaganiach
          w zakresie dostarczanej energii elektrycznej. Przykładem takich urządzeń mogą być zasilacze UPS,
          systemy telekomunikacyjne itp.;
      4) Klasa wymagań G4  dotyczy zasilania odbiorników o wysokich wymaganiach w zakresie dostarczanej
          energii elektrycznej.

      Najważniejsze wymagania graniczne wartości eksploatacyjnych przebiegów napięcia i częstotliwości dla poszczególnych klas wymagań przedstawia tablica 1..

Tablica 1. Najważniejsze wymagania graniczne wartości eksploatacyjnych przebiegów napięcia
i częstotliwości dla poszczególnych klas zespołów prądotwórczych

      3.3. Zasada działania
      Zespoły prądotwórcze dzieli się również ze względu na czas rozruchu, tj. czas, jaki upływa od czasu zaniku napięcia w sieci elektroenergetycznej, do chwili jego podania z generatora zespołu prądotwórczego:
      a) z długotrwałym zanikiem napięcia,
      b) z krótkotrwałym zanikiem napięcia,
      c) bez zaniku napięcia.

      Zespoły prądotwórcze z długotrwałym zanikiem napięcia są powszechnie stosowane w układach zasilania awaryjnego. Po zaniku napięcia w sieci elektroenergetycznej automatyka zespołu uruchamia procedurę jego rozruchu z opóźnieniem od 5 do 10 sekund. Ogółem jednak czas, jaki upływa od zaniku napięcia w sieci elektroenergetycznej do podania go ze źródła awaryjnego, nie przekracza 1 minuty. Załączenie odbiorników z zespołu odbywa się automatycznie przez układ automatyki SZR.
      Po ponownym pojawieniu się napięcia w sieci elektroenergetycznej automatyka SZR powoduje przełączenie zasilania odbiorników na tor zasilania podstawowego nie wyłączając zespołu. Po przełączeniu zespół prądotwórczy pracuje na biegu jałowym jeszcze przez co najmniej 3 minuty, dla wychłodzenia generatora.

      1) Zespół prądotwórczy w układzie pracy z krótkim czasem rozruchu
      W normalnych warunkach zasilania (Rys, 2a) silnik elektryczny synchroniczny (1) pobiera energię z sieci elektroenergetycznej i napędza generator (2) i koło zamachowe (3). Sprzęgło (4) jest rozłączone. Generator pracuje na biegu jałowym.

      Z chwilą zaniku napięcia w sieci elektroenergetycznej następuje:
      - otwarcie łącznika Q1,
      - automatyczne zamknięcie sprzęgła (4),
      - zgromadzona energia kinetyczna w kole zamachowym powoduje szybki rozruch silnika spalinowego (5),
        który w krótkim czasie przejmuje napęd generatora (2),
      - podanie napięcia z generatora powoduje automatyczne przełączenie łącznika Q2 na zasilanie ze źródła
        awaryjnego i podanie napięcia do odbiorników.

      Czas, w którym odbiorniki pozostają bez dostawy energii elektrycznej, na ogół nie przekracza 2 s.

 

Rys. 2a. Schemat zespołu prądotwórczego z krótkim czasem rozruchu
Oznaczenia: 1 – silnik elektryczny do napędu generatora i koła zamachowego, 2 – generator,
3 – koło zamachowe, 4 – sprzęgło elektromagnetyczne, 5 – silnik spalinowy,
6 – rozdzielnica potrzeb własnych z układem sterowania i automatyki.

      2) Zespół prądotwórczy w układzie pracy z zerowym czasem przełączenia na zasilanie awaryjne
      W tym układzie (Rys. 2b) zastosowano silnik elektryczny synchroniczny o mocy równej mocy generatora zespołu prądotwórczego. Obwody odbiorcze zasilane są z generatora zespołu prądotwórczego.
      W normalnym stanie pracy silnik elektryczny (1) jest zasilany z sieci elektroenergetycznej i napędza generator zespołu prądotwórczego (2) wraz z kołem zamachowym (3).
      W przypadku zaniku napięcia w sieci elektroenergetycznej (brak zasilania silnika elektrycznego):
      - sprzęgło (4) łączy koło zamachowe z silnikiem spalinowym (5),
      - zgromadzona w kole zamachowym energia kinetyczna jest w stanie spowodować szybki rozruch silnika spalinowego, który przejmuje
        napęd generatora zespołu,
      - łącznik Q2 w tym przypadku spełnia jedynie funkcję rezerwową.

 

Rys. 2b. Schemat zespołu prądotwórczego z zerowym czasem przełączenia na zasilanie awaryjne
Oznaczenia: 1 – silnik elektryczny do napędu generatora i koła zamachowego, 2 – generator,
3 – koło zamachowe, 4 – sprzęgło elektromagnetyczne, 5 – silnik spalinowy,
6 – rozdzielnica potrzeb własnych z układem sterowania i automatyki.

      Zespół prądotwórczy pracujący w układach zasilania awaryjnego może być instalowany w kontenerze ustawionym na fundamencie betonowym poza budynkiem lub w specjalnie do tego celu przystosowanym pomieszczeniu.
      Instalacja zespołu w pomieszczeniu wymaga czerpni powietrza oraz odprowadzenia spalin i odpowiedniej wentylacji pomieszczenia. Pomieszczenie, w którym zostanie zainstalowany zespół prądotwórczy, należy wyposażyć w rozdzielnicę potrzeb własnych z układem sterowania, oświetlenie, gniazda odbiorcze oraz instalacje elektryczna sterowania wentylacją oraz innymi urządzeniami projektowymi.
      Zasilanie wielu zakładów przemysłowych, komunalnych, rolnych, a także dużych budynków mieszkalnych w przypadku awarii lub konieczności dokonania prac naprawczych lub konserwacyjnych, odbywa przez zastosowanie samoczynnego załączenia rezerwy (SZR) za strony zespołów prądotwórczych (ZP) współpracujących z rozdzielczą siecią elektroenergetyczną, z zastosowaniem układu obejściowego w torze zasilania awaryjnego, co umożliwia zachowanie ciągłości zasilania.
      Układ współpracy sieć/ZP z układem obejściowym przedstawiono na rysunku 3.


Rys. 2c. Układ współpracy sieć / ZP z układem obejściowym

      3.4. Zasady eksploatacji
      Przyjęcie do eksploatacji zespołu prądotwórczego nowego, przebudowanego lub po remoncie, może nastąpić po przeprowadzeniu, z wynikiem pozytywnym, odpowiednich prób i pomiarów przewidzianych w instrukcji fabrycznej i instrukcji eksploatacji.
      Jeżeli zespół prądotwórczy ma być przyłączony do wspólnej sieci elektroenergetycznej lub jest przewidziany jako samoczynne rezerwowe zasilanie urządzeń zasilanych ze wspólnej sieci, to przyjęcie do eksploatacji zespołu powinno odbywać się za zgodą właściwego terytorialnie przedsiębiorstwa energetycznego i w obecności przedstawiciela jednostki organizacyjnej zarządzającej daną siecią.
      Zespół prądotwórczy o napięciu znamionowym 0,4 kV lub wyższym przed przyjęciem do eksploatacji powinien być poddany ruchowi próbnemu na warunkach przewidzianych w dokumentacji producenta.

      1) Przed przyjęciem zespołu prądotwórczego do eksploatacji należy sprawdzić:
      - kompletność dokumentacji,
      - gotowość urządzenia do pracy,
      - wyniki prób i pomiarów fabrycznych, w przypadku urządzeń uruchamianych
        po remoncie w zakładzie remontowym,
      - wyniki pomiarów kontrolnych,
      - zapewnienie dostaw i zapasów paliwa, oleju oraz niezbędnych części zamiennych,
      - bezpieczeństwo przeciwporażeniowe i pożarowe,
      - zapewnienie odpowiednich warunków bhp dla obsługi.
      Eksploatacja zespołów prądotwórczych powinna być prowadzona w oparciu o program pracy. Nie ma obowiązku opracowywania programów pracy dla zespołów o mocy znamionowej mniejszej niż 32 kVA. Program pracy zespołu prądotwórczego powinien być opracowany i korygowany co najmniej raz na trzy lata.

      2) W programie pracy należy uwzględnić:
      - układ połączeń sieci dla ruchu normalnego i w przypadku zakłóceń,
      - sposób przyłączenia do wspólnej sieci i synchronizacji,
      - charakterystykę zasilanych odbiorów oraz wymagane wartości napięcia i częstotliwości,
      - moc przewidywaną do dostarczania przez zespół prądotwórczy i czas pracy,
      - warunki uruchamiania zespołu,
      - wielkości zapasów paliwa i oleju, niezbędne dla przewidzianego ciągłego czasu pracy,
      - wymagania i zalecenia w zakresie oszczędności paliw i energii.

      Na zespole prądotwórczym powinny być umieszczone w sposób trwały i czytelny następujące informacje:
      - dane techniczne urządzeń umieszczone na tabliczkach znamionowych,
      - symbole zacisków ochronnych,
      - symbole zacisków wyjściowych generatora,
      - strzałki na obudowach silnika i generatora wskazujące prawidłowy kierunek wirowania.

      3) Prowadzenie ruchu
      Jeżeli dokumentacja techniczna nie stanowi inaczej, to moc silnika asynchronicznego zwartego o rozruchu bezpośrednim przyłączonego do zespołu prądotwórczego o napięciu znamionowym do 1 kV, nie może przekraczać:
      - 70% mocy znamionowej zespołów o mocy do 60 kW,
      - 50% mocy znamionowej, jeżeli moc zespołu jest większa niż 60 kW.

      Moc silnika przyłączanego za pośrednictwem przełącznika gwiazda-trójkąt nie może przekraczać mocy znamionowej czynnej zespołu prądotwórczego wyrażonej w kW.
      Przed uruchomieniem zespołu prądotwórczego przewoźnego należy sprawdzić:
      - prawidłowość ustawienia na stanowisku roboczym,
      - prawidłowość przyłączenia do sieci,
      - prawidłowość odłączenia od wspólnej sieci odbiorników, które nie mają być zasilane z zespołu,
      - dostosowanie mocy i napięcia zespołu do mocy i napięcia zasilanych odbiorników,
      - stan ochrony przeciwporażeniowej i przeciwpożarowej,
      - zgodność obrotów silnika i generatora oraz ich zgodność z instrukcją,
      - zgodność paliwa i olejów smarowniczych z instrukcją fabryczną.
      Utrzymywanie zespołu w należytym stanie technicznym wymaga przeprowadzania okresowych oględzin i przeglądów.

      4) Oględziny zespołu powinny być przeprowadzane co najmniej raz w tygodniu i powinny obejmować sprawdzenie:
      - czystości zespołu i pomieszczenia,
      - zasilania w paliwo,
      - smarowania i chłodzenia maszyn,
      - układu rozruchowego,
      - wskaźników kontrolno-pomiarowych,
      - stanu ochrony przeciwporażeniowej,
      - stanu zabezpieczeń przeciwpożarowych i sprzętu gaśniczego,
      - wyposażenia obsługi w odzież i sprzęt ochronny,
      - stanu i poprawności działania części mechanicznej; braku drgań i stuków w maszynach
        (przez osłuchanie).

      Co najmniej raz w miesiącu należy przeprowadzić kontrolę pracy zespołu obejmującą między innymi:
      - sprawdzenie akumulatora rozruchowego,
      - sprawdzenie stanu zaopatrzenia w paliwo i smary,
      - sprawdzenie czystości filtrów paliwa, oleju i powietrza,
      - pomiar rezystancji izolacji uzwojeń generatora,
      - próbne łączenie za pomocą wyłącznika głównego,
      - uruchomienie i sprawdzenie działania blokad.

      5) Przegląd zespołu prądotwórczego powinien być przeprowadzany nie rzadziej niż co 6 miesięcy, o ile instrukcja
        fabryczna nie przewiduje inaczej. Przegląd powinien obejmować w szczególności:
      - oględziny w pełnym zakresie,
      - wymianę oleju i smarowanie całego zespołu,
      - oczyszczenie styków elektrycznych,
      - pomiary rezystancji izolacji uzwojeń i obwodów,
      - pomiary skuteczności działania ochrony przeciwporażeniowej,
      - sprawdzenie instalacji rozruchowej i zapłonowej,
      - pełne sprawdzenie akumulatora,
      - sprawdzenie układów zasilania w paliwo, smarowania, chłodzenia i rozrządu,
      - sprawdzenie przyrządów pomiarowych, sterowania i układów regulacji,
      - kontrolę stanu oświetlenia pomieszczenia agregatu i obsługi,
      - czynności konserwacyjne i wymianę zużytych części zgodnie z instrukcjami fabrycznymi.

▲ do góry

      4. Układy zasilania ze źródła gwarantowanego

      4.1 Zasilacze bezprzerwowe (UPS)
      Zasilacz UPS to urządzenie przeznaczone do zapewnienia bezprzerwowej pracy urządzeń komputerowych, łączności oraz wrażliwych na przerwy w zasilaniu, wahania napięcia i inne zakłócenia występujące w sieci zasilającej. Jest on urządzeniem energoelektronicznym, umożliwiającym zasilanie odbiorników z baterii lub innego magazynu energii elektrycznej, w przypadku zaniku napięcia w sieci zasilającej.
      UPS eliminuje zakłócenia pochodzące z sieci energetycznej, utrzymuje stałą wartość napięcia i w razie potrzeby izoluje przyłączone do niego urządzenia od sieci elektroenergetycznej. Dzięki temu wyklucza się możliwość uszkodzenia sprzętu i oprogramowania, a także nieprzewidywalnego działania urządzeń.

      Obecnie dostępne są następujące typy zasilaczy UPS:
      - pracujące w trybie VFD (off-line),
      - pracujące w trybie VI (Line-interactive – sieciowo interaktywne),
      - pracujące w trybie VFI ( on-line).

      Zgodnie z normą PN-EN 62040-3:2011. Systemy bezprzerwowego zasilania (UPS) -- Część 3: Metoda określania właściwości i wymagania dotyczące badań określane są trzyczłonowym kodem klasyfikacyjnym XXX+ZZ+YYY
      gdzie:
      - pierwszy człon (XXX) określa topologię zasilacza UPS; VFD; VI; VFI,
      - drugi człon (YY) określa kształt napięcia wyjściowego, przy czym pierwsza litera odnosi się do pracy normalnej
        lub pracy z obwodem obejściowym, natomiast druga litera odnosi się do pracy bateryjnej.
        Norma przewiduje następujące oznaczenia literowe:
        S – napięcie wyjściowe jest sinusoidalne o współczynniku THD u% < 8%, natomiast przy obciążeniu liniowym oraz
              wzorcowym obciążeniu nieliniowym poziom harmonicznych napięcia nie przekroczy wartości określonych
              w normie PN-EN 61000-2-2:2003 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC). Część 2-2: Środowisko.
              Poziomy kompatybilności zaburzeń przewodzących małej częstotliwości i sygnałów przesyłanych w publicznych
              sieciach zasilających niskiego napięcia;
        X – napięcie wyjściowe przy obciążeniu liniowym posiada parametry określone jak dla S, w warunkach obciążenia
              liniowego, natomiast przy obciążeniu nieliniowym o wartości większej niż określona przez producenta wartość
              graniczna, współczynnik THD u% > 8%;
       Y – napięcie wyjściowe jest niesinusoidalne i przekracza wartości graniczne określone w normie PN-EN 61000-2-2:2003
            - wersja angielska Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) -- Część 2-2: Środowisko -- Poziomy kompatybilności
            zaburzeń przewodzonych małej częstotliwości i sygnałów przesyłanych w publicznych sieciach zasilających niskiego
            napięcia, kształt napięcia wyjściowego UPS określa producent;
      - trzeci człon (ZZZ) określa właściwości dynamiczne na wyjściu zasilacza UPS, przy czym pierwsza cyfra
        określa właściwości przy zmianie rodzaju pracy, druga cyfra określa właściwości przy skokowej zmianie
        obciążenia liniowego podczas pracy normalnej oraz przy pracy bateryjnej, natomiast trzecia cyfra określa
        właściwości przy skokowej zmianie obciążenia nieliniowego podczas pracy normalnej oraz przy pracy bateryjnej.
        Kod ten przewiduje użycie czterech cyfr: 1,2,3 lub 4. Cyfry 1,2, 3 gwarantują nieprzekroczenie wymagań
        określonych dla klasy odpowiednio 1,2 lub 3. Natomiast cyfra 4 oznacza, że dynamikę zasilacza UPS
        określa producent.

      Zasadniczym celem stosowania zasilaczy UPS jest zapewnienie ciągłości zasilania. Cel ten jest spełniony przez urządzenie pracujące w trybie VFI. Jednak ze względów ekonomicznych dla mniej wrażliwych urządzeń można również stosować inne typy zasilaczy.
      Eksploatacja statycznych urządzeń zasilania dodatkowego lub bezprzerwowego jest znacznie prostsza niż urządzeń elektromaszynowych wyposażonych w napęd nieelektryczny, ale musi być prowadzona ściśle wg instrukcji producenta.

      4.2. UPS pracujący w trybie VFD (off-line)
      W urządzeniu pracującym w trybie VFD (ang. VoltageFrequency Dependent) zespół kontrolujący nadzoruje napięcie sieci. Jeżeli mieści się ono w dopuszczalnych tolerancjach, układ automatyki powoduje włączenie go na wyjście. Równocześnie prostownik ładuje baterię (Rys. 3). W przypadku zakłócenia w sieci, zespół kontrolujący przełącza na zasilanie bateryjne. Uruchomiony zostaje falownik, z którego napięcie zasilające jest podawane na wyjście urządzenia. Czas przełączenia, w którym odbiornik zostaje pozbawiony dostaw energii, wynosi 2 – 10 ms.
      UPS pracujący w trybie off-line nie posiada żadnej regulacji , wskutek czego napięcie wejściowe jest podawane bezpośrednio na wyjście wraz ze wszelkimi zakłóceniami. Dodatkową wadą tych urządzeń jest brak bypassu wewnętrznego oraz synchronizacji zasilania przy przywróceniu napięcia w sieci. Wartość oraz częstotliwość napięcia wyjściowego zależą od wartości i częstotliwości napięcia zasilających UPS.
      Budowę i zasadę działania zasilacza UPS pracującego w trybie VFD, przedstawiają rysunki 3 i 4.

 

Rys. 3. UPS typu VFD (off-line) – budowa

 

Rys. 4. UPS typu VFD (off-line) – zasada działania

      4.3. UPS pracujący w trybie VI (Line interactive – sieciowo interaktywny)
      Urządzenia UPS typu VI działają podobnie jak urządzenia pracujące w trybie VFD (off-line), ale posiadają dodatkowo regulator skokowy poziomu napięcia wyjściowego (AVR – ang. Automatic Voltage Regulation).
      Czas przełączenia z sieci na baterię wynosi około 2 – 4 ms, natomiast przełączenie z pracy bateryjnej na sieciową odbywa się bezprzerwowo. Wartość napięcia wyjściowego jest niezależna od wartości napięcia zasilającego UPS. Natomiast częstotliwość napięcia wyjściowego zależy od częstotliwości napięcia zasilającego.
      Budowę i zasadę działania zasilacza UPS pracującego w trybie VI, przedstawiają rysunki 5 i 6.

 

Rys.5. UPS typu VI (sieciowo interaktywny) - budowa

 

Rys.6. UPS typu VI (sieciowo interaktywny) - zasada działania

      4.4. UPS pracujący w trybie VFI (on-line)
      Urządzenia te pracują bezprzerwowo, czyli czas transferu pomiędzy stanami pracy zasilaczy (normalny, z baterii, obejściowy) wynosi zero (bez przerwy w zasilaniu odbiorników). Rozbudowana automatyka zapewnia wystarczające wytłumienie zakłóceń sieciowych oraz bezprzerwową pracę wrażliwych odbiorników. Przekształtnik wejściowy przetwarza napięcie sieciowe na napięcie stałe, dzięki czemu następuje ładowanie baterii. Przetwornica prądu stałego optymalizuje napięcie baterii zasilającej przekształtnik wyjściowy, przetwarzający napięcie stałe na przemienne.
      Tak skonstruowany układ zapewnia uzyskanie na wyjściu zasilacza napięcia sinusoidalnego, pozbawionego jakichkolwiek zakłóceń, o stabilnej częstotliwości. Układ wejściowy jest galwanicznie oddzielony od układu wyjściowego , jeżeli zasilacz posiada konstrukcję transformatorową. Statyczny bypass łączy automatycznie odbiornik z siecią zasilającą w przypadku przeciążenia lub uszkodzenia przetwornicy. Automatyczne przełączenie powrotne następuje tylko wtedy, gdy obciążenie zostanie odpowiednio zmniejszone lub uderzenie prądowe przy włączeniu zaniknie. Poprzez bocznik serwisowy, umożliwiający synchroniczne przełączenie zasilania, przyłączone odbiorniki mogą być bez przerw zasilane, podczas gdy zasilacz UPS jest wyłączony spod napięcia dla celów konserwacji. Wartość napięcia wyjściowego oraz jego częstotliwość nie zależą od napięcia zasilającego UPS.

 

Rys.7. UPS typu VFI (on-line) – budowa

 

Rys.8. UPS typu VFI (on-line) - zasada działania

      Zasadniczym celem stosowania zasilaczy UPS jest zapewnienie ciągłości zasilania. Cel ten jest spełniony przez urządzenie pracujące w trybie VFI. Jednak ze względów ekonomicznych dla mniej wrażliwych urządzeń można również stosować inne typy zasilaczy.
      Eksploatacja statycznych urządzeń zasilania dodatkowego lub bezprzerwowego jest znacznie prostsza niż urządzeń elektromaszynowych wyposażonych w napęd nieelektryczny ale musi być prowadzona ściśle wg instrukcji producenta.
      Konfiguracja zasilacza UPS z zespołem prądotwórczym (Rys. 8a) jest rozwiązaniem, które zapewnia wysoką niezawodność i pewność zasilania  odbiorników priorytetowych. Przy przejściu zasilacza UPS na pracę z baterii akumulatorów następuje uruchomienie i przyłączenie układu na zasilanie z zespołu prądotwórczego ZP za pomocą wejściowego układu obejściowego. Na rysunku 8a przedstawiono przykład współpracy zasilacza UPS z zespołem prądotwórczym ZP i układem obejściowym.


Rys. 8a. Przykład podłączenia zasilacza UPS w konfiguracji z zespołem prądotwórczym ZP i układem obejściowym

      W układach zasilania obiektów wymagających dużej pewności zasilania należy w szczególności uwzględniać:
      - stosowanie topologii on-line, gdyż tylko taka gwarantuje poprawność współpracy zasilacza UPS z zespołem
        prądotwórczym,
      - stosowanie zespołów prądotwórczych, wyposażonych elektroniczne regulatory prędkości obrotowej,
        z nowoczesnymi prądnicami przystosowanymi do nieliniowych obciążeń oraz
      - stosowanie urządzeń sprawdzonych we współpracy i zapewniających stabilność zasilania w każdych
        warunkach.

      4.5. Inne rodzaje zasilaczy
      Oprócz przedstawionych podstawowych zasilaczy UPS produkowane są zasilacze z regulowaną częstotliwością napięcia wyjściowego. Zasilacz tego typu pozbawiony jest bypassu wewnętrznego oraz posiada inną budowę falownika w stosunku do typowego zasilacza FVI. Zasilacz ten musi posiadać możliwość regulacji częstotliwości napięcia wyjściowego w stosunku do potrzeb zasilanego napędu. Bypass zewnętrzny służy jedynie celom serwisowym i stosowany jest wówczas, gdy odbiornik dopuszcza pracę przy napięciu i częstotliwości sieci elektroenergetycznej.


Rys. 9. Schemat blokowy zasilacza UPS do napędów sterowanych

      Coraz częściej stosuje się również układy UPS pracujące w systemie wzajemnego rezerwowania. Układ taki pozwala na spełnienie warunku niezawodności - według reguły N+1. Na rysunku 10. przedstawiono układ zasilania gwarantowanego z redundancją szeregową.
      Dwa współpracujące zasilacze UPS połączone układem współpracy, obciążone są połową mocy znamionowej, w przypadku awarii jednego z nich pełne obciążenie przejmuje zasilacz nieuszkodzony. W takim układzie zasilania odbiorniki, wymagające najwyższej niezawodności zasilania, przyłączone są do zasilacza UPS 1, którego układ obejściowy został przyłączony do zasilacza UPS 2.
      W układach tych został zastosowany wyłącznik tyrystorowy QS, który w normalnych warunkach jest otwarty. W przypadku jednoczesnego przejścia zasilacza UPS 1 oraz UPS 2 na układ obejściowy łącznik QS jest blokowany i powoduje odcięcie zasilania odbiorników drugorzędnych.
      W układzie przedstawionym na rysunku 10. moc zasilacza UPS 2 musi być większa od mocy zasilacza UPS 1. Gdyby moce obydwu zasilaczy byłyby równe, wykorzystanie zasilacza UPS 2 byłoby niewielkie.
      Układ w takiej konfiguracji pozwala uniknąć przerw w zasilaniu, w przypadku przejścia zasilacza UPS 1 na obejście przy przeciążeniu w chwili braku napięcia w sieci zasilającej.


Rys. 10. Przykład układu zasilania z wykorzystaniem redundancji szeregowej UPS

      Znacznie korzystniejszym rozwiązaniem jest zastosowanie układu zasilania składającego się z większej liczby zasilaczy UPS (np. trzech, czterech), z wykorzystaniem redundancji szeregowej, w którym istnieje możliwość zasilania odbiorników wymagających najwyższej niezawodności zasilania z dwóch osobnych zasilaczy UPS.
      W dużych zakładach przemysłowych, dla uzyskania większej niezawodności podstawowego zasilania, wprowadza się dodatkowe źródła zasilania rezerwowego, awaryjnego i gwarantowanego, przystosowane do pracy w różnych wymaganych konfiguracjach, np.: w układzie: sieć/sieć (z rezerwą jawną lub rezerwą ukrytą) - w układzie sieć/zespół prądotwórczy (ZP) oraz w układzie sieć/UPS dla odbiorów wymagających największej pewności zasilania . Tak skonfigurowany system zasilania zakładu przemysłowego lub jego części zapewnia bardzo duże bezpieczeństwo i pewność, że w razie awarii systemu zasilania podstawowego urządzenia o ważnym znaczeniu będą zasilane bez przerw. Przykładowe rozwiązanie takiego układu współpracy przedstawia rysunek 11.


Rys. 11. Przykładowy system zasilanie zakładu przemysłowego z zapewnieniem zasilania rezerwowego, awaryjnego i gwarantowanego

▲ do góry

Menu serwisu