Jedną z najważniejszych grup odbiorców dla producentów zasilaczy awaryjnych UPS, jest przemysł, który korzysta z tych urządzeń zupełnie inaczej, niż druga istotna grupa nabywców systemów UPS, czyli serwerownie i centra danych. Tutaj większość urządzeń cechuje bardzo wysoki pobór mocy czynnej, zaś notorycznie występujące sytuacje w których następuje ciężki rozruch z wielokrotnie wyższym poborem niż przy normalnej pracy, są normą i m.in. te wyzwania sprawiły, że zasilacze UPS dla przemysłu są projektowane i konstruowane w sposób szczególny.

Bezprzerwowe zasilanie wręcz stereotypowo kojarzy się ze strategicznymi obiektami, takimi jak lotniska, szpitale, elektrownie, serwerownie czy centra obróbki danych. Gwarantowane zasilanie wiąże się tu z dostarczeniem niejako zastępczej energii elektrycznej, pobieranej z akumulatora, w sytuacjach, gdy to podstawowe, sieciowe zasilanie nie funkcjonuje z powodu czy to burzy z gradobiciem, czy też mocnego wiatru lub choćby awarii w elektrowni. Są to poważne sytuacje – walka o stałe utrzymanie zasilania energią elektryczną, to gra o utrzymanie zautomatyzowanych procesów w zakładach produkcyjnych, o możność kontrolowania zabezpieczonych drzwi i bramek w niebezpiecznych strefach, o utrzymanie właściwej temperatury jak też o podtrzymanie działania odpowiedniego hardware’u i zabezpieczenie danych które jeszcze nie zostały zapisane. Chodzi tu więc nie tylko o bezpieczeństwo, ale też czasem o duże pieniądze, które można utracić w wyniku szkody.

Dziś jednak istotą systemów UPS jest nie tylko zagwarantowanie energii w momencie gdy w sieci nie ma zasilania, ale też zabezpieczanie podłączonych do nich urządzeń przed zakłóceniami w sieci, takimi jak m.in. nagłe skoki napięcia prądu. Nowoczesne urządzenia UPS dbają dziś przede wszystkim o jakość zasilania. Ta funkcja stała się w pewnym sensie kluczowa i wydaje się, że bardziej nadaje obecny kierunek rozwoju tych urządzeń – również tych projektowanych dla odbiorcy przemysłowego. Z punktu widzenia technologii dbającej o jakość zasilania, rynek rozróżnia trzy typy zasilaczy UPS, z których najbardziej podstawowym jest typ VFD zwany OFF-LINE. Elektronika w takich zasilaczach niemal dwie dekady temu tylko obserwowała napięcie sieciowe i podawała je bezpośrednio na wyjście UPS-a bez ingerencji w jego parametry – wraz z wszelkimi ewentualnymi zakłóceniami.

Jednak szybko uległo to zmianie i dziś w zasilaczach VFD napięcie standardowo podlega filtracji z użyciem filtrów przeciwzakłóceniowych i przeciwprzepięciowych (m.in. tłumików warystorowych, czyli ograniczników przepięciowych). Z tej przyczyny zasilacze VFD właściwie nie znajdują zastosowania w przemyśle, w przeciwieństwie do zasilaczy typu VI, zwanych LINE-INTERACTIVE, które w tym sektorze już się spotyka. W zasilaczach VI korekta napięcia sieciowego dokonywana jest przed podaniem go na wyjście UPS-a i odbywa się to równolegle z kontrolą ładowania akumulatora. Gdy zasilanie sieciowe nie mieści się ze swymi parametrami w dopuszczalnych granicach napięcia lub gdy całkowicie zanika, wówczas zasilanie odbiorników przejmują akumulatory wraz z falownikiem, przy czym układ w momencie powrotu napięcia w sieci bezprzerwowo przechodzi na podawanie na wyjściu 1-krotnie stabilizowanego zasilania sieciowego.

Trzecim i najbardziej optymalnym dla zastosowań w przemyśle typem zasilaczy UPS, są te określane symbolem VFI, zwane też ON-LINE DOUBLE CONVERSION, gdyż w nich układ wyjściowy i wejściowy to kompletnie odseparowane od siebie układy, co przełożyło się na podwójne przetwarzanie prądu – zarówno na wejściu jak i na wyjściu. Zasada działania jest równie prosta, co skuteczna: wpierw na wejściu napięcie AC zostaje przetworzone na napięcie DC (stałe), zaś przy wyjściu prąd DC ponownie ulega przetworzeniu na prąd AC, całkowicie wolny od zakłóceń i cechujący się optymalnymi czy wręcz idealnymi parametrami. Gdy dochodzi do zaniku napięcia na wejściu, falownik dostaje napięcie z akumulatora na stałe do niego podłączonego po przełączeniu tak szybkim, że na wyjściu nie pojawiają się żadne zakłócenia. Po przywróceniu zasilania sieciowego następuje równie niezakłócony i gładki powrót do pierwotnego stanu z podwójną konwersją prądu. W całej tej procedurze chodzi m.in. o kształtowanie wykresu napięcia wyjściowego tak, by był jak najbliższy kształtowi sinusoidy. W przemyśle – taj jak właściwie wszędzie – stosuje się dziś coraz więcej urządzeń bardzo wrażliwych na jakość prądu, nie akceptujących napięcia o wykresie zbliżającym się do kształtu prostokątnego i wymagających wysokojakościowego zasilania z wykresem w postaci idealnej sinusoidy. Dlatego zasilacze ON-LINE z podwójną konwersją prądu to w świecie przemysłu – ale nie tylko tu – zdecydowany standard.

Konstrukcja modułowa UPS-ów podstawą przy przemysłowych zastosowaniach

Nowoczesne UPS-y o dużej mocy, projektowane zarówno dla przemysłu jak i centrów danych, serwerowni, pracowni badawczych czy ośrodków z branży medycznej, to urządzenia produkowane w systemie modułowym. Rozwiązanie to już od kilkunastu lat funkcjonuje na rynku polskim i choć nie jest tanie,posiada ogrom zalet i przewag nad UPS-ami jednobryłowymi, których nie da się rozbudować w razie zwiększenia się zapotrzebowania zakładu na energię podtrzymującą jego funkcjonowanie. Jak nazwa mówi, istota konstrukcji modułowej zawiera się w tym, że na system składają się pojedyncze zasilacze UPS (zwane tu modułami), wyposażone we własne układy prostownika, falownika, ładowarki akumulatora oraz własny układ by-pass, układ sterowania i panel kontrolny. Wszystkie moduły umieszczane są w jednej wspólnej obudowie zwanej szafą, w układzie pionowym, poprzez wsunięcie ich jeden nad drugim w przeznaczone dla nich wnęki wyposażone w gniazda przyłączeniowe. Jest to tzw. montaż na gorąco – nie ma tu mowy o podłączaniu jakichkolwiek kabli, nie ma mowy o wyłączaniu pozostałych czynnych modułów na czas wmontowania nowego modułu. Demontaż, jak i demontaż wykonuje się jednym ruchem w dowolnym momencie: poprzez wsunięcie lub wysunięcie modułu, bez żadnych konsekwencji dla reszty systemu, m.in. dlatego, że każdy z modułów współpracuje z własnym akumulatorem.

Dodatkową dogodnością jest fakt, iż interfejsy komunikacyjne, dodatkowe gniazda USB itp., są przeniesione do samej szafy, która ponadto wyposażana jest często w serwisowy by-pass dla całego systemu. Systemy modułowe pozwalają na zachowanie elastyczności i w razie potrzeby dokupywanie kolejnych modułów, ponieważ szafy zawsze posiadają dodatkowe wolne wnęki. To właśnie dlatego należy się na nich oprzeć projektując system zasilania awaryjnego w zakładzie przemysłowym,w którym z czasem ilość maszyn, a więc i zapotrzebowanie na energię zapewne wzrośnie. Rozbudowa systemu sprowadza się wówczas do wsunięcia kolejnego modułu w wolną wnękę. Rzutuje to również na dyspozycyjność systemu w sytuacji, gdy któryś z modułów ulega awarii – czas naprawy staje się czasem wymiany uszkodzonego modułu na nowy i sprawny. Z systemami modułowymi wiąże się też idea nadmiarowości, która w przypadku zastosowań przemysłowych jest sprawą konieczną. Takie redundantne, czyli nadmiarowe systemy, tworzy się poprzez konfigurację kilku modułów podstawowych (funkcyjnych) z przynajmniej jednym modułem nadmiarowym.

Polega to na tym, że jeśli któryś z modułów funkcyjnych ulegnie awarii, wówczas reszta przejmuje jego zadania. Dzięki temu system nie odczuwa skutków awarii jednego modułu, a wszystkie urządzenia i maszyny podpięte do systemu są w niezmienionym stopniu zabezpieczone. W niektórych specyficznych warunkach na halach produkcyjnych nadmiarowość powinna być 100%, co oznacza, że w zapasie musi czekać identyczna liczba modułów, choć często zamiast nich ów nadmiar stanowi zespół generujący prąd, który również może podlegać redundancji – o tym jednak w poniższym rozdziale.

Najistotniejsze cechy nowoczesnych UPS-ówdla obiektów przemysłowych

Jedną z najistotniejszych cech zasilaczy awaryjnych stosowanych w przemyśle, jest opisana powyżej modułowość, która stanowi atrybut pożądany zarówno w przypadku zasilaczy podpiętych do komputerów i serwerów – które przecież muszą funkcjonować w świecie przemysłu, szczególnie tego nowoczesnego i przechodzącego rewolucję 4.0 – jak i podpiętych do maszyn, linii produkcyjnych i generalnie urządzeń wykonawczych, które obciążają zasilacze w zupełnie inny sposób. Nie będzie ona już dalej opisywana, gdyż istnieje cały katalog kolejnych cech, jakie UPS dla przemysłu powinien posiadać i które zasługują na wymienienie i rozwinięcie. Potrzebne jest tu jednak pewne zastrzeżenie: niniejszy rozdział opisując poniżej UPS-y dla przemysłu, skupia się na tych najbardziej tradycyjnie pojmowanych zasilaczach przemysłowych, czyli działających w najtrudniejszych warunkach na hali produkcyjnej i współpracujących z maszynami, zasilających napędy lub inne urządzenia o wysokich prądach rozruchowych. Warunki pracy dla zasilaczy bezprzerwowych umiejscawianych w obrębie hal produkcyjnych są często bardzo trudne i wymagające. Dlatego ich konstrukcja powinna być solidna, zaś szczelność i odporność na udary (współczynniki IP oraz IK) powinny stać na najwyższym poziomie. Zależnie od wymagań danego obiektu przemysłowego, powinny to być urządzenia zdolne do pracy w wysokich lub wyjątkowo niskich temperaturach, choć zdarza się, że po prostu muszą być odporne na jedne i drugie z uwagi na częste i drastyczne skoki temperatury, wynikające ze specyfiki procesów produkcyjnych (np. procesy rozgrzewania, łączenia a następnie schładzania). Zagrożeniem jest też oczywiście wysokie zapylenie, wilgoć, chemikalia czy wysoki poziom wibracji generowanych przez maszyny.

W razie potrzeby każde z tych zagrożeń powinno zostać uwzględnione w konstrukcji UPS-a, czego wyrazem mogą być odpowiednie systemy izolowania od podłoża i niwelowania drgań, specjalne obudowy z materiałów odpornych na wpływ chemicznie agresywnych substancji czy bardzo wydajne systemy chłodzenia. Absolutnie kluczową cechą zasilaczy dla hal przemysłowych jest ich niezawodność, która powinna stać na maksymalnie wysokim poziomie. Z tym atrybutem wiąże się nierozerwalnie redundancja UPS-ów oraz ich częste sprzężenie z systemami prądotwórczymi, przy czym redundancja rozumiana jest tu nie tylko jako nadmiarowość ale też zastępowanie i przejmowanie roli zasilacza. Brzmi to nieco niejasno, lecz chodzi o proste rozwiązanie: zasilacz awaryjny powinien być zdublowany kolejnym urządzeniem – zasilaczem lub agregatem prądotwórczym – które przejmie jego rolę, gdy zapasy energii w jego akumulatorach wyczerpią się, co przy 100% obciążeniu następuje po kilkunastu lub kilku minutach. W praktyce taki „dubler” powinien się uruchamiać dość szybko, z bezpiecznym zapasem czasu zanim podstawowy UPS wytraci energię, by z prawdopodobieństwem równym jeden przejąć zasilanie maszyn na bezpieczny czas.

 

 

Zdrowy rozsądek podpowiada, że agregat prądotwórczy jest tu najlepszym wyjściem, gdyż nie tylko jest w stanie długo podtrzymywać działanie wszystkich urządzeń i maszyn, ale również natychmiast rozpocząć ładowanie akumulatorów podstawowego zasilacza UPS. Wysoka niezawodność przemysłowych UPSów wiąże się też, czy raczej wynika z systemu monitoringu ich stanu, który powinien gwarantować szybką reakcję na takie zagrożenia, jak choćby zbyt wysoka temperatura, przekroczenie maksymalnej wartości prądu w obwodzie, stan awaryjny akumulatorów itp.). Monitoring taki, opierający się głównie na czujnikach (temperatury, wilgotności itp.) musi odpowiednio szybko sygnalizować nieprawidłowe stany i uruchamiać automatyczne reakcje na określone zagrożenia.

Kolejną cechą UPS-ów przeznaczonych do pracy na halach produkcyjnych jest ich nadal spotykana konstrukcja transformatorowa, choć należy zauważyć, iż wypierają je zasilacze beztransformatorowe, które w innych obiektach i zastosowaniach – tych ze szczególnie wrażliwymi odbiornikami (serwerownie itd., układy sterowania automatyką itp.) wiodą absolutny prym z uwagi na swoją kompaktowość, niską wagę i bardzo wysoką sprawność (powyżej 95%). Transformatorowe zasilacze wciąż świetnie się sprawdzają w środowiskach produkcyjnych, gdyż ich prostsza konstrukcja jest znacznie bardziej odporna na tak typowe dla przemysłu przeciążenia wywoływane obciążającymi rozruchami wszelkich napędów. Należy pamiętać, że transformatory nie tylko całkowicie separują odbiorniki prądu od sieci zasilającej (oraz od prądu DC z akumulatorów), ale też ograniczają prądy zwarcia. Ponadto użycie transformatora to możliwość pracy z różnymi wartościami napięcia prądu pobieranego z akumulatorów. Nieocenionym dobrodziejstwem płynącym z użycia transformatora w torze falownika jest bardzo wysoka odporność zwarciowa zasilacza wynosząca kilka sekund (3, 4 czy 5 sekund, gdy beztransformatorowe zasilacze wytrzymują czas liczony w milisekundach). Odporności falowników – w transformatorowych zasilaczach UPS – na duże przeciążenia to kilkanaście do nawet 30 sekund przy 200% prądu znamionowego, podczas gdy w przypadku beztransformatorowych zasilaczy są to dwie, trzy sekundy przy obciążeniu 150% lub wyższym.

Superkondensatory – nowy kierunek

Opisując zasilacze UPS znajdujące zastosowanie w przemyśle, warto skierować swoją uwagę ku bardzo rzadko stosowanym zasilaczom wykorzystującym superkondensatory jako źródła energii. Te specyficzne – i bardzo drogie – konstrukcje potrafi ą uzyskiwać ogromne pojemności sięgające nawet kilkuset faradów przy relatywnie niewielkich wymiarach. Działają w ten sposób, że w obrębie podwójnej warstwy, która powstaje na granicy ośrodków elektroda-elektrolit, gromadzą się ładunki elektryczne. Jednak to co jest tu niezwykłe, to fakt iż gromadzą się ona na niespotykaną skalę, gdyż powierzchnia elektrod jest tu zwielokrotniona tysiące razy w porównaniu z tradycyjnym kondensatorem, zaś odległości pomiędzy elektrodami są również tysiące razy zmniejszone. W efekcie następuje upakowanie ogromnej ilości energii w bardzo niewielkiej objętości. Superkondensatory są dynamiczniejsze od tradycyjnych akumulatorów, znacznie szybciej gromadzą energię elektryczną i błyskawicznie ją oddają. Szybkość ich ładowania jest właściwie rewolucyjna – wystarczy porównać czas ładowania standardowego UPS-a z akumulatorami (kilka – kilkanaście godzin) i zasilacza UPS opartego na superkondensatorze (około 3 minuty) – przewaga tego drugiego jest miażdżąca. Na uwagę zasługuje też ilość cykli ładowania i rozładowania takich zasilaczy – jest kilka tysięcy razy wyższa niż ma to miejsce w przypadku standardowych UPS-ów, co przekłada się zarazem na ich żywotność określaną w dwóch czy trzech dekadach (akumulatory w typowym UPS funkcjonują efektywnie do 10 lat). Pomimo wyżej wymienionych zalet technologia ta ma jednak sporą barierę do przeskoczenia, zanim upowszechni się bardziej i wyraźniej zaznaczy obecność na rynku – jest nią bardzo wysoka cena.

Łukasz Lewczuk

Na podstawie materiałów publikowanych m.in. przez:
AB S.A.,
Action S.A.
Dacpol Sp. z o.o.,
Delta Electronics Sp. z o.o.,
Eaton Power Quality S.A.,
Socomec Polska Sp. z o.o.,
Comex S.A.oraz EVER Sp. z o.o. i Instytut Elektroenergetyki na Wydziale Elektrycznym Politechniki Warszawskiej.

---