Системи за непрекъсваемо токозахранване

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 1, 2009

UPS (Uninterruptible Power Supply ) - критично важен за сигурната работа на индустриалните съоръжения


   два ли било пресилено да се каже, че съвременната цивилизация е немислима без електрическа енергия. И за разлика от бита, където прекъсванията в електрозахранването водят основно до загуба на комфорт, в областта на индустрията щетите обикновено са несравнимо по-значими. От загуби - измервани в огромни суми, до аварии - със сериозни последствия върху екологичното равновесие. Това е и причината, непрекъсваемите електрозахранвания да имат толкова важна роля в съвременната индустрия.
Всеки знае предназначението им. UPS е устройство за непрекъсваемо захранване, позволяващо на включеното оборудване да работи при прекъсване на централното снабдяване, като правило непродължително време. При загуба или пропадане на напрежението от захранващата мрежа или вследствие излизане на параметрите й извън стандартно определените, автоматично се превключва на акумулаторно захранване. Сред широката общественост са известни най-вече с приложението си за непрекъсваемо електрозахранване на компютри и сървъри. Днес съществуват промишлени образци UPS с мощност до 1000 kW, и дори повече.

Качество на електроенергията
Всички електрически устройства са проектирани за работа с електрическа мрежа, отговаряща на стандартните изисквания (фиг. 1). При неспазването им нито търговецът, нито производителят на оборудването носят отговорност за качеството на работа на оборудването. Известно е, че при отказ на тази апаратура в промишлено предприятие е възможно да се стигне дори до загуба на човешки живот. Действащата у нас стандартизационна база дефинира качество на електроенергията на базата на международно използван пакет от параметри. Добре известен факт е, че съществуват потребители, които с основание заявяват, че доставяната електроенергия не съответства на стандартните изисквания. Причините са много и разнообразни, например:
l Износено (остаряло) оборудване, претоварване на мрежата, човешки грешки на специалистите от съответното електроснабдително предприятие при управление и ремонт.
l Въздействие върху мрежата на различни консуматори, в момента на работа, при включване и изключване.
l Удар от мълния върху елементи от мрежата. Прекъсване на проводници и кабели при стихийни бедствия и т. н.

Предназначение на UPS
Непрекъсваемите токозахранващи устройства се използват при:
l Прекъсване или пълна загуба на електрозахранването, което води до прекъсване в работата на ел. оборудването.
l Пикови прекъсвания - мигновени прекъсвания на електрозахранването.
l Пикови пренапрежения - мигновено нарастване на напрежението до многократно по-високи стойности от допустимото, често предизвикващи повреда на оборудването.
l Понижено напрежение - по-ниско захранващо напрежение от нормалното, обикновено за по-продължително време. Предизвиква прегряване на електродвигателите.
l Пренапрежение - по-високо напрежение от стандартното за по-продължително време. Води до повреда на ел. оборудването.
l Шум в захранващото напрежение - паразитни смущения, предизвикващи изкривявания на формата на сигнала на напрежението, което резултира в електромагнитна интерференция.
l Честотни колебания - колебания в честотата на захранващото напрежение, около номиналната стойност. Възможно е да предизвика неравномерно въртене на електродвигателите и неточна работа на някои времезадаващи устройства и схеми.
l Краткотрайни превключвания - мигновени пикови прекъсвания на напрежението, които са в рамките на няколко наносекунди. Последствията са непредсказуемо поведение на ел. оборудването, включително загуба на данни в паметта и недопустим режим на работа на компонентите.
l Хармонични изкривявания - множество кратни честоти на основната в сигнала на напрежението, които водят до промени във формата на сигнала. Предизвикват загряване на проводниците и излизане от строя на предпазителите.
Знае се, че когато напрежението не съответства на стандартното, консуматорите се претоварват и ако не се повредят, то значително се съкращава животът им. При други консуматори последствията биха могли да бъдат непредсказуеми, включително загуба на информация, повреда на запаметяващи модули, нарушаване на технологията на производство и др. От друга страна, съвременното електронно и електрооборудване е доста скъпо.
За решаване на подобни проблеми, свързани с качеството на доставяната електроенергия, са създадени множество защитни устройства – разнообразни филтри, разрядни устройства, стабилизатори и, разбира се, UPS. Непрекъсваемите електрозахранвания се базират на различни схеми - от най-елементарни, използващи акумулатор и инвертор на свободна честота, до цели комплекси с мощност от порядъка на 100 kW и повече, които генерират качествено синусоидално трифазно напрежение.

За видовете UPS
Приема се, че съществуват няколко основни групи непрекъсваеми електрозахранвания (фиг. 2):
l Резервно захранване (stand-by или off-line);
l Линейно-интерактивни (line-interactive);
l UPS с двойно преобразуване (On-line).
Тази квалификация се използва широко от почти всички водещи производители.

Резервни UPS
Както вече бе посочено, познати са още като stand-by или off-line. Те са най-елементарните непрекъсваеми токозахранвания, работещи с акумулаторни батерии. Към тях не се поставят изисквания за стабилизация и синусоидалност на изходното напрежение. При нормално захранване електроенергията от мрежата преминава през филтър, преди товара. При изчезване или критично изменение на напрежението, специален ключ превключва захранването на товара от акумулаторна батерия.
Техен недостатък е времето на превключване, което е от порядъка на 5 – 10 ms. Най-големият им недостатък, обаче, е формата на изходното напрежение, което е трапец или правоъгълник. Следователно те са неподходящи за захранване на електродвигатели и товари, нуждаещи се от синусоидално, стабилно напрежение. При използването им е задължително да се знае, че:
l Абсолютно забранено е включването на каквито и да било мрежови филтри след него;
l При приложението им за резервно захранване на компютри е забранено включването на лазерни принтери, тъй като те имат високо пиково потребление. Това може да претовари UPS и да го изключи.

Линейно-интерактивни UPS
или line-interactive. Представляват следващо поколение непрекъсваеми електрозахранвания. За разлика от оff-line устройствата, те са развити в посока подобряване на филтрацията на изходното напрежение. При линейно-интерактивните UPS изходното напрежение е близко до синусоидално. Наред с това е променена и схемата му на контрол, което позволява постоянно да се следи и контролира веригата - захранваща мрежа-консуматор-батерия. Повечето от тях разполагат с автотрансформатор и схема за регулиране на изходното напрежение.
Недостатъците им не са по-различни от характерните за off-line видовете. Разбира се, времето за реакция при пропадане на напрежението е по-кратко, от 1 до 5 ms. В нормален режим самият инвертор зарежда батериите на UPS устройството. Съответно, в авариен режим се обръща единствено посоката на захранване. Както вече бе посочено, те разполагат с много ефективна филтрация на мрежовото захранване, както и със специална схема за контрол и стабилизация на пиковите нараствания и пропадания на мрежовото напрежение. По този начин се решава другият основен недостатък на off-line устройствата, а именно - нерегламентираните превключвания при пикове в захранващата мрежа. Принципът на реверсиране посоката на захранване осигурява по-добър контрол и по-стабилни параметри на захранващото напрежение. Понякога е възможна появата на устойчиви изкривявания на изходното напрежение (хармоници), вследствие от използването на сложни физически филтри във веригите за обратна връзка. Това е недопустимо при критични товари, каквито се използват в телекомуникацията или медицината. Повечето модели линейно-интерактивни устройства поддържат т.нар. by-pass режим на UPS при нормално електроснабдяване. Разбира се, цената на линейно-интерактивните модели е по-висока в сравнение с off-line устройствата.

Технологията на двойното преобразуване
Наричат се още оn-line UPS (фиг. 3). В англоезичната литература се използват наименованията SMPS  или double conversion. У нас са познати още и като активни UPS. Както показва наименованията им, преди да постъпи в товара, енергията се преобразува два пъти. Първоначално се изправя, след това се филтрира, коригира се до необходимото ниво, след което се използва инвертор. Към изправеното напрежение се включва и акумулаторната батерия, която се явява много ефективен филтър срещу нестабилността на напрежението. Описаното решение е оптимизирано от техническа гледна точка, но е и най-скъпо, и най-сложно. Приложението му е целесъобразно, ако от непрекъсваемостта на захранването зависи човешки живот или прекъсването му би довело до загуба на ценна информация или огромни производствени загуби. Използването на инвертор осигурява пълна защита на товара и абсолютно синусоидално напрежение, както и отсъствието на електромагнитни и радиочестотни смущения. Именно тава са системите, които с пълно право могат да се наричат “източници на непрекъсваемо захранване”. И това е така, тъй като те стабилизират мрежовото напрежение в непрекъснат режим, изправят го и отново  го инвертират в променливо. Период от време за превключване от мрежа в захранване на батерии практически не е необходим. При този начин параметрите на изходното променливо напрежение към консуматора, като честота и стабилност на формата, са абсолютно независими от тези на захранващата мрежа.
Разликата между честотния инвертор в UPS и тези, които се използват за управление на ЕД (електродвигател), се състои в това, че в непрекъсваемото електрозахранване той работи с точна честота 50 Hz. Измененията на изходното напрежение се компенсират, като се регулира ширината на импулсите. По този начит то се стабилизира в строги граници.
Захранват критичноважна апаратура
На практика, това е UPS, който се използва за захранване на критичноважна апаратура. Прилагат се предимно за отговорни потребители, като производство на полупроводници, сървъри с бази от данни, телекомуникационни системи, медицинско и мрежово оборудване, прибори за автоматика, важни промишлени контролери за наблюдение и контрол и други.
Сериозен недостатък на on-line UPS е цената, която е забележимо по-висока в сравнение с другите видове. Разбира се, необходимостта от по-голяма инвестиция частично се компенсира, тъй като те по правило се произвеждат с по-висока номинална мощност, позволяваща включване на много консуматори, към които са поставени изисквания за качествено електроснабдяване.
Към отрицателните им качества би могла да се отнесе недостатъчната степен на филтрация на тока, постъпващ от мрежата за общо използване, от високочестотни съставни. По принцип, този недостатък е присъщ на всички модели линейно-интерактивни UPS. Той се проявява заради отсъствието на активни филтри. В on-line UPS от висок клас този филтър е вграден.
И линейно-интерактивните, и активните непрекъсваеми електрозахранвания дават възможност за паралелно свързване с цел получаване на по-голяма мощност. Единственото изискване е те да са от един и същ тип и, разбира се, на една и съща компания-производител. По такъв начин е възможно постигането на мощности от порядъка на 5000 kW, и дори повече.

Филтри, използвани в UPS
Както е споменавано в други статии, публикувани в списание Инженеринг ревю, голямата скорост на нарастване на напрежението (du/dt) и на тока (di/dt) при работа на устройства с правоъгълни импулси е съществен недостатък. В стремежа да се обезпечат оптимални динамични характеристики и намаляване нивото на загуби, UPS работи с правоъгълни импулси със стръмни фронтове на нарастване, например 15kV/ms и 2kA/ms. Съвременните UPS, независимо от това, че имат и оптимизирана топология на силовите, сигналните и измерителни вериги, в редица случаи не могат да функционират според действащите стандарти на Европейски съюз. В скъпите модели със синусоидална изходна честота се използват множество филтри за пълно отстраняване на изходното напрежение от паразитни съставки. Така се понижава токовото натоварване на изходния кабел. Също така се понижава натоварването на изолацията на всички вериги, захранвани от устройството. На входа на качествен UPS също се поставя филтър. Макар че с изходния си приличат, неговите цели и задачи са други. Наличието на входен и изходен филтър създава редица проблеми на конструкторите. Това е така, защото всеки от тях си има собствени резонансни честоти и “конфликтът” между входния и изходния филтър не е рядко явление. В много модели UPS не се вгражда входен филтър или се използва активен тип. Счита се, че активните филтри са много ефикасни при мощности, по-големи от 10 kW.

Избор на UPS
Непрекъсваеми електрозахранвания се произвеждат от много компании. На пръв поглед, изборът на UPS изглежда доста елементарна задача - закупува се устройство, което е по-мощно от товара. В действителност изборът е доста по-сложен. Препоръчително е покупката на промишлен модел да се съгласува с консултант. При UPS цената не нараства линейно с увеличаване на мощността, а геометрично. Това означава, че трябва да се търси най-доброто съотношение между цена и ефективност. Допълнителни възможности, като филтриране на смущенията и правилна синусоидална форма на изходното напрежение, също увеличават цената. Именно поради тези причини, преди да се направи изборът, е необходимо да се изяснят някои важни въпроси. Сред тях са:
l За какво ще се използва непрекъсваемото токозахранващо устройство? За какви машини и с каква мощност, каква продължителност на работа с UPS се изисква?
l Каква е необходимата мощност - активна (W), реактивна (VAr) и пълна (VA)?
l Какъв енергиен капацитет трябва да притежава UPS?
l Трябва ли да има автоматично включване и изключване?
l Какви вътрешни защити следва да поддържа?
l Има ли индуктивни товари и какъв е капацитетът на вълната?
l Колко е енергията на празен ход?
l Каква е оптималната ефективност на работа?
l Има ли необходимост от програмно обезпечаване? Какво време на превключване трябва да притежава?
l Какви са инвестиционните ресурси за UPS?
l Има ли „фантомни” консумации и консумации при празен ход?
l Каква честота на превключване трябва да притежава?
l Ще захранва ли водна помпа?
l Има ли специфики при зареждането на батерията?
l На какви стандарти отговаря - EC 60 950-1, IEC 62040-1-1, EN50 091/CFR part 15, IEC 61643-1, CE mark, ISO900, ISO14001 IEC 62040-3, EN 50091-3?
l Други изисквания.

За необходимата мощност на UPS
Сред важните въпроси, поставени при избора на непрекъсваемо токозахранващо устройства, е: какъв ще бъде консуматорът? От отговора на този въпрос зависи каква форма на изходното напрежение на устройството е целесъобразна. Ако ще се захранва компютър, монитор, скенер или друго устройство с импулсно захранване, то проблемите са по-малко и устройство с модифицирана синусоида, тип трапец или правоъгълник на изходното напрежение, би могло да се използва.
Друг важен въпрос е: с каква мощност е консуматорът (VA) или какъв косинус j има? От това зависи привидната мощност на необходимото UPS устройство. Консуматорите не трябва да надхвърлят максималната мощност (S) на UPS, тъй като това ще доведе до претоварването и, много вероятно, до повредата му. Често при пресмятане се отчита само мощността на товара във W, но се забравя да се отчете консумацията на периферните устройства. В повечето случаи е достатъчно необходимата мощност във VA да се раздели на 1,4, за да се получи във W. За да работи оптимално и надеждно UPS, той би следвало да се натоварва със 70 - 80% от пълната му мощност във W. Някои специалисти препоръчват да се избере устройство с мощност три пъти по-голяма от необходимия товар.

Каква е оптималната продължителност на работа?
Какъв период от време е необходим, за да се запази работоспособността на машините, без да наруши технологията или да се спре безопасно? Това е друг основен въпрос при избора на UPS. От него се определя минималната продължителност на автономна работа на UPS устройството. За удължаване на този период са разработени модели, които позволяват добавяне и на външни акумулатори. В много важни случаи се използва комбинация от UPS и дизелгенератор. Естествено, UPS трябва да е съвместим с дизелгенератора. Все пак, когато се избира UPS, e добре да се инвестира в модел с време за автономна работа, което е минимум два пъти по-голямо от необходимото, тъй като със стареенето на батериите този период намалява. Добре е непрекъсваемото електрозахранване да поддържа функция „студен старт”. Тя дава възможност за захранване на всички консуматори, свързани с него, веднага след пропадане на напрежението (става въпрос за части от секундата).
Редица UPS модели предлагат и някои полезни допълнителни екстри, като например възможност за следене на параметрите им от локални дисплеи или компютър. За целта се предлагат специални софтуерни пакети. Предлагат се и модели с различни възможности за монтаж според нуждите на потребителите.




Новият брой 8/2017

брой 8-2017

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top