Непрекъсваеми токозахранвания за сградиСъществуват сгради, етажи от сгради и съоръжения, които трябва да получават електрозахранване през цялото време на експлоатация. Ядрени електроцентрали, летища, операционни зали в болници, компютърни центрове, бункери, военни командни центрове, непрекъсваeми химически производства, телекомуникационни центрове и др. Тези обекти работят с непрекъсваеми токозахранвания (UPS).
Ще разгледаме особеностите в проектирането и приложението на UPS в сградите.
текст инж. Петър Цветанов
Разнообразието от практически случаи и технически решения при непрекъснатото токозахранване е огромно, но може да се оформят три основни групи. При първия случай съоръжението се захранва само от местни дизел-генератори или газови турбини. При втория - съоръжението се захранва от една или повече външни електрически мрежи и при прекъсване на външната енергия захранването се поема от UPS (Uninterruptible power supply) докато се задействат местни дизел-генератори или газови турбини. При третия случай съоръжението се захранва само от местни електронни UPS, подкрепени с или без подкрепа на местни дизел-генератори или газови турбини. Превключванията между захранванията може да са ръчни или автоматични като и двете решения имат своите предимства. Във всичките случаи, когато става дума за захранване на сгради, етажи или големи съоръжения, UPS са с голяма мощност, например от около 5kW до 5MW, като тенденцията е за увеличаване, поради наличието на все по-критични производства и инсталации.
UPS могат да използват постоянен или променлив ток, като ние ще разгледаме основно вторите, защото масовото електрозахранване е с променлив ток.
Първите електрически UPS за променлив ток са използвали релета за накъсване и индуктивности за трансформиране на енергията от акумулаторни батерии (АКБ) или сухи батерии в променлив ток. След това се използват електронни лампи, тиристори, триаци и транзистори. Въвеждането на микропроцесорите (МП) и микроконтролерите (МК) даде възможност да се изградят модулни UPS с транзистори. При тях има резервни модули, които винаги са включени и, ако някои работещ модул се повреди, те поемат неговия товар. Освен това е възможна и подмяна на модули и на блокове от батерии докато UPS работи. Мощните UPS с тиристори или триаци все още се използват, но разработването на много мощни транзистори и то по няколко в един корпус доведе до все по-голямата интеграция и при мощните UPS.
Видове UPS
Резервните непрекъсваеми захранвания (РНЗ) са може би най-простите НЗ. При тях комутацията от основно към акумулаторно захранване може да се извършва както ръчно (което е по-бързо от ръчното стартиране на дизел-генераторите), така и автоматично чрез електронен или електромеханичен ключ. Те предлагат само основни функции, осигуряват защита на товара от по-високи и по-ниски входни напрежения, дозареждат батерията и превключват товара към батерията или към мрежовото захранване в зависимост от предварително определени условия. РНЗ обикновено са евтини и се използват за некритични товари, главно заради значителното време на превключване и лошата филтрация на напреженията. Ако се прилагат на ниво стандартни UPS то е само там, където цената е основен параметър.
Ферорезонансните РНЗ имат вграден ферорезонансен трансформатор или авто-трансформатор, който съхранява известно количество енергия и придава необходимата форма на изходното напрежение по време на превключването. Тези РНЗ също се прилагат рядко на ниво стандартни UPS системи.
Електромеханичните UPS, наричани още ротационни UPS или UPS с маховик, използват мотор-генератор и маховик, за да съхранят енергия за определено времe. Изпълнението може да е много различно при различните производители. Тези НЗ се прилагат главно при големи мощности, например от 125kW или по-високи.
Предимствата им включват: висока ефективност (коефициент на полезно действие – к.п.д.), способност да доставят висок импулсен ток и пълна изолация на товара от мрежата (особено важно е когато товарът е нелинеен и генерира значителни хармонични изкривявания). Тези НЗT се нуждаят от периодична подмяна на движещи се части. Независимо от това имат висока надеждност и моментът на подмяна на механичните детайли може да се предскаже достатъчно точно. Ето защо те се използват за стандартни, но се предлагат от много малко производители. Допълнително те могат да осигуряват и изолация на товара от националната електрическа мрежа.
Интерактивните UPS, наричани още линейно-интерактивни UPS или непрекъсваеми захранвания с автотрансформаторна стабилизация на входното напрежение, имат допълнителни функции в сравнение със стандартните резервни захранвания, като по-ефективна филтрация на входното и изходното напрежение и най-важното - следят (измерват) входното напрежение и посредством автотрансформатор, регулират на стъпки изходното напрежение, така че промените на входа да се отразяват с намалена сила на изхода. Интерактивните UPS използват инвертор, който при нормална работа използва мрежовото напрежение, за да зарежда батерията, а при отпадане на мрежовото напрежение, използва батерията за да захранва товара. Следователно смяната на режима изисква превключване на входа и на изхода на инвертора. Тези UPS рядко се използват за големи мощности.
Линейно-интерактивните UPS се използват там, където електрическата изолация между товара и мрежата е важна. Те са по-скъпи, но и по-съвременни решения и в крайна сметка, за целия експлоатационен период, може да излязат и по-евтини, защото удължават живота на батериите и предлагат по-добри параметри. При тези системи изправителят, зарядното устройство и инверторът работят постоянно и захранват както товара така и акумулаторната батерия. Това води до отделяне на допълнително количество топлина и изисква по-добра охлаждаща система на UPS. Тук батериите винаги са свързани с инвертора и, когато основното напрежение на входа отпадне, те продължават да захранват товара. В този случай изправителят и зарядното устройство просто не работят. Линейно-интерактивните UPS управляват през цялото време изходното напрежение и честота, което е предимство. Освен това, те осигуряват по-добра изолация на товара (сградата) от националната електрическа мрежа, а това е важно, когато мрежата на сградата се използва например и за комуникации.
При активните UPS (UPS с двойно преобразуване) има двукратно преобразуване на енергията между мрежата и товара. Мрежовото напрежение се изправя, филтрира, стабилизира и към него се включва акумулаторна батерия (АКБ), която се зарежда, служи за енергиен буфер и за филтър. Така полученото напрежение се преобразува в синусоидално и се подава на изхода. Използването на АКБ за буфер и филтриращ елемент прави изхода на този UPS много добре защитен от входните смущения. Двойното преобразуване изолира много добре изходната верига на UPS от входната на мрежа и обратното.
Стандартните UPS, използващи горивни клетки (Fuel cells), са много видове, защото и горивните клетки са много видове. Горивната клетка е електрохимично устройство, което преобразува химическата енергия на окисляването на дадено гориво в електрическа енергия. Тя е проектирана за непрекъснато подаване на два реактанта. Химическата реакция между тях води до произвеждане на електричество. Клетката произвежда електричество, докато в нея постъпват реактанти. Реактантите могат да бъдат водород, подаван на анода на клетката и кислород подаван на катода на клетката, но има и други двойки реактанти. Горивните клетки не могат да складират енергия, но могат да я произвеждат непрекъснато, докато в тях се подават реактанти. Всъщност горивните клетки са вид малки електростанции. При част от горивните клетки има и отпадъчни продукти и топлина, които трябва да се отвеждат.
Софтуерите за UPS
Създаването на интелигентни UPS стана възможно с развитието софтуерната промишленост и на микроконтролерите. Съвременните UPS са интелигентни системи, съдържащи десетки (а понякога и повече) микроконтролери, наблюдаващи и управляващи работата на UPS и комуникиращи с останалите интелигентни системи в сградата. Софтуерът, свързан със UPS, има следните основни функции: вградени в UPS контрол и управление, наблюдение на АКБ, управление на включването и изключването на консуматорите, комуникация със сървъри, изпращане на текстови съобщения по мобилната мрежа, издаване на гласови съобщения, управляващи аварийните ситуации, комуникация по мрежа с производителя и т.н. Процедурата за последователно изключване на консуматорите със съхраняването на цялата налична информация е една от най-важните процедури на UPS.
Проектиране на инсталации за UPS
Проектирането на инсталациите за UPS е сложен процес и се възлага на специализирани изпълнители. В една сграда може да съществуват паралелно както централна мрежа с нормално захранване, което може да бъде външно или вътрешно за сградата, така и една или повече инсталации с UPS. Инсталациите за UPS може да са открити или закрити (в стените, в пода, в тавана). Контактните им точки трябва да се различават съществено от контактните точки на обикновената мрежа, ако в сградата съществуват и двете. Например, контактните точки за UPS може да са червени и покрити с капаци, а контактите за нормалното захранване да са бели. Включването на устройството в контакт на UPS може да породи сигнал до командното табло и да се провери защо е направено включването. Инсталацията с UPS обикновено е много по-чиста от смущения от обикновена инсталация и може да се използва по-успешно и за комуникационни нужди.
Шум и вибрации
Повечето от модерните системи за непрекъсваеми захранвания са изцяло електронни и затова проблемът с шума и вибрациите не би трябвало да стои или да се ограничи само до охлаждащите вентилатори. Обаче вентилаторите са само част от проблемa. Оказва се, че когато електронните и електромеханичните компоненти са подложени на значителни токове и напрежения, те започват да вибрират. Например диелектриците на кондензаторите променят геометричните си размери в зависимост от приложените токове и напрежения. Хилядите вибриращи компоненти създават шумов и вибрационен фон, който може да се окаже неприемлив за персонала. Затова UPS обикновено се монтират на специални постаменти в подходящи помещения, с което проблемът с шумa и вибрациите се ограничава успешно.
Локални генератори
UPS се комбинират често с локални генератори на напрежение. Тези генератори могат да работят в непрекъснат режим или да се запускат при определени условия. Ако генераторите не работят постоянно те се класифицират в няколко групи в зависимост от начина и времето на запускане. Процесът на превключване има множество параметри като време, промяна на напрежението на изхода, промяна на честотата на напрежението, време за възстановяване на първоначалните параметри на мрежата и т.н. Генераторът не се изключват веднага след възстановяването на мрежата. Времето на изчакване зависи от приложението и обикновено е няколко минути.
Генераторите могат да се използват и за дозареждане на батериите за UPS и за другите инсталации, изискващи UPS. Мощностите на локалните генератори обикновено са от 10kW до 6МW. Те обикновено се инсталират на места с подходяща вентилация и охлаждане, като може и да не са в самата сграда. Генераторите може да са синхронизирани или не с националната електрическа мрежа. Повече от един генератори могат да работят в паралел така, че отпадането на един или повече от тях да не наруши токозахранването. Генераторите се монтират на специални антивибрационни поставки и са снабдени с охладителна система, въздухосборна система, система за отвеждане на отработени газове и други системи.
Често пъти локалните генератори работят непрекъснато и в случай на повреда захранването може автоматично да се прехвърли към външната мрежа или към UPS и след това към стартирала втора група от генератори, ако има такива. Генераторите които се включват само при нужда се тестват периодично, например поне веднъж седмично, за да се провери готовността им.
Помещенията с генераторите, като и помещенията с всички елементи на UPS, се подчиняват на определени изисквания и са снабдени с UPS осигуряващи светлина, контрол на достъпа и всички останали дейности.
Охлаждане и климатизация
Охлаждането на помещенията с генераторите е очевиден проблем, който трябва да се разреши според изискванията. Но и охлаждането на електрониката на UPS също е проблем. КПД на UPS се посочва между 85 и 95% и силно зависи от товара. При товар по-нисък от 25-30% обикновено к.п.д. е най-ниско, като може да има и минимална стойност на товара, при която UPS може да работи. Най-висок е кпд, когато товарът е в рамките на 60-100%. Ако UPS е с мощност 100kW и има средно 90% кпд това означава, че около 10kW ще бъдат отделени като топлина в помещението. Тук не се включва топлината от кабелите, осветлението, батериите и други източници. При системи от 200-400 kW, които не са рядкост, нещата стоят още по-сериозно. Ето защо помещенията на UPS са подложени на специален режим на охлаждане и проветряване. Въздухът за охлаждане трябва да се пречиства, а филтрите трябва да са проверяват и сменят често. Трябва да има и прахоуловители, защото високите напрежения благоприятстват натрупването на прах по компонентите. Компонентите на UPS са чувствителни към влага, кондензиране, обледеняване, биологически материали (плесени, мухъл, гъбички и др.), към присъствие на насекоми и гризачи и трябва да бъдат защитени от тези и други неблагоприятни въздействия.
Трябва да се има предвид, че охлаждането и климатизацияте са енергоемки процеси. И докато климатизацията може и да не работи, то охлаждането трябва да е безупречно, за да не настъпи топлинен пробив. Тези пробиви са опасни защото могат да засегнат много компоненти и модули в UPS и да доведат и до вторични повреди.
Товари и експлоатация
Всеки UPS се сертифицира за определено приложение и би трябвало да се ограничи само до него. Освен това UPS има много по-ограничени параметри от националната електрическа мрежа по отношение на справяне с проблеми произтичащи от товара. Ето защо при експлоатацията на UPS трябва да се обърне внимание за ограниченията за включване на товари и това се отнася най-вече за реактивните (индуктивни и капацитивни товари). Например, захранващите блокове на персоналните компютри съдържат кондензатори с голям капацитет, напр. 220-680мкф, които на практика са свързани чрез изправителя директно към входа. В тези захранвания входните филтри могат да липсват или да са прекалено опростени. Включването на стотици персонални компютри и монитори към инсталацията на UPS може да направи товара неприемливо капацитивен. Ето защо тези товари би трябвало да се включват на секции, от разделени контури или към отделни фази.
Включването на допълнителни индивидуални UPS към всеки персонален компютър също може да се окаже проблем, особено ако всичките локални UPS започнат да си зареждат батериите по едно и също време, което е напълно възможно по време на възстановяване на захранването.
Друг проблем може да са голямото количество лазерни принтери, фотокопирни или факс-машини, вентилатори за лична употреба, които са най-вече индуктивен товар. Пусковият ток на електродвигателите е няколко пъти по-голям от средния работен ток и още по-голям ако електродвигателят тръгва под пълен товар или е с блокиран ротор.
Използването на активни и пасивни устройства за коригиране на фактора на мощността също може да се окаже задължително.
Голям проблем за UPS са несиметричните товари. Ако UPS е трифазно, трябва да се внимава фазите да са натоварени симетрично не само по мощност, но и по вида на товара. Разлики по-големи от около 20% може да са проблем. Включването на товар между две фази също може да се окаже проблематично.
Друг проблем са нелинейните товари. Те изкривяват формата на мрежовото напрежение и водят до произвеждане на хармоници и продукти, получени от взаимодействието на тези хармоници. Това може да се окаже неприемливо за част от захранваните апаратури или за UPS. Нелинейните товари намаляват и делът на използваната изходната активна мощност от СТНЗ.
UPS може да изискват минимален товар за да работят ефективно или дори за да сработят и това означава, че не бива да се изключват от товара напълно. Тази операция може да е запазена само за квалифициран сервизен персонал.
В момента товарите се класифицират по много параметри и един от тях е времето, през което могат да понесат прекъсване на захранването. По този параметър има три вида товари: товари, понасящи произволно дълго прекъсване на захранването, товари понасящи прекъсване в рамките на около минута и товари не понасящи никакво забележимо за изпълняваната дейност прекъсване на захранването.
Част от UPS при претоварване изключват определени консуматори или превключват цялата поддържана вътрешна мрежа към външната мрежа или към генератори с ДВГ и това може да създаде проблеми. Ето защо натоварването на UPS трябва да се следи внимателно.
Захранването на асансьори, двигатели за отваряне и затваряне на врати, електромагнити за спускане на прегради или за отблокиране/блокиране на изходи и т.н. може да изисква отделно внимание поради значителните токове.
Използването на генераторите и на UPS на пълна мощност, при висок THD (>5-10%) и при големи реактивни и несиметрични товари, може да доведе до значително натоварване на детайли и електронни компоненти и до скъсяване на експлоатационния им срок. Може да се препоръча UPS да се натоварват до около 80% от максималната мощност за дълговременна експлоатация, но това остава под въпрос за решаване от проектанта на системата. Освен това, за предпочитане са модулните UPS, като при първоначалното инсталиране да се остави място за допълнителни модули с цел посрещане на бъдещи нужди. Всичко това показва, че ситуацията с експлоатацията на UPS е сложна и, че UPS, които са по-стари от около 5 години, трябва да се преоценяват в зависимост от новите технологични постижения на консуматорите и вида на извършваните дейности.
Интерфейси
UPS имат множество вградени интерфейси за комуникация вътре в системата или с други системи. Най-често се използват следните интерфейси: някоя от версиите на CAN (Control Area Network), LAN (Local area Network), RS-232C, Modbus RS485, модеми, интерфейси за отдалечени дисплеи и на TTY. Радиокомуникационните и оптическите интерфейси също навлизат все повече. Модерните UPS поддържат връзка със сървъри и могат да уведомяват определен брой компютри за състоянието си.
Много от UPS имат интерфейси, дефинирани от производителя и използвани само в неговите системи. Интерфейсите могат да са с галванична изолация и без нея. Повече валидна информация в зависимост от модела на UPS се намира само в документацията на производителя.
Поддръжка на UPS
Гаранционният срок на повечето UPS е 1-2 години, с или без батериите в зависимост от случая. През този период и след това превантивната поддръжка на UPS е задължителна и се прави по определена процедура на собственика, на базата на информация от производителя на UPS и съобразена с проектанта на инсталацията и на сградата, а също и с местното законодателство. Целта на превантивната поддръжка е навременно откриване и отстраняване на всички потенциални проблеми.
Проверката се прави периодично и като минимум включва: визуална проверка на шкафовете със UPS, батериите и на инсталациите, закрепването на всички компоненти на системата, наличие на нагаряне, петна или теч, деформации на шкафове и батерии, състояние на контактни точки и предпазители, наличие на счупвания, раздувания и пукнатини в изолацията на прекъсвачи и кабели, валидност на показанията на всички контролни прибори при всички работни режими, на нормални обороти и шум на вентилаторите, влажност, температура и газове в помещенията и др. В повечето случаи проверките и подмяната батериите се правят при работещо UPS.
Всички връзки в системата трябва да са стегнати, безопасни и с нормална температура. Индивидуалното напрежение на всяка батерия и нейната температурата се измерват и записват ръчно и ако има и автоматичен запис се сравняват с него. Всички надписи, символни и цветни маркировки трябва да са ясни, използваеми и полезни.
Очакваният живот на активно използваните батерии е от 2 до 10 години. Подмяната на батериите и на предпазителите трябва да става планирано, с батерии от същия модел и тип и е желателно от същия производител. Извършените дейности се описват в съответни документи, подлежащи на одитиране.
UPQ и UPS
През последните години в употреба влезе терминът UPQ (Uninterruptible Power Quality), който трябва да се разглежда като развитие на термина UPS (Uninterruptible Power Supply). С UPQ се означава нов стандарт, който адресира критичните състояния на модерните захранващи системи. Системите, отговарящи на UPQ, са винаги включени (on line) и имат изолиращи и преобразуващи характеристики по-добри от традиционните UPS. Тези системи имат пет етапа на изолиране и преобразуване, докато on-line UPS имат само два. Технологията UPQ предлага: поддържане на 100% небалансиран товар в трифазна система, много добре филтрирана изходна синусоидална мрежа, може да работи с по-широк обхват от входни напрежения, имат по-малък толеранс на изходните напрежения, удължава живота на батериите, не индуцират хармоници във входната мрежа, поддържат по-големи изходни токове, може да произведе няколко изходни напрежения, напр. 110V и 220V, по-ефективни комуникационни възможности, по-малки размери и други.24/08/2013 |
