Na przestrzeni ostatnich 10 lat coraz częściej stosuje się zasilacze UPS jako podstawowe źródło zasilania bezprzerwowego, a ich bezawaryjna praca eliminuje problem ciągłości dostaw energii elektrycznej. W przypadku zakłóceń w dostawie energii elektrycznej, zasilacz UPS przez określony czas podtrzymuje zasilanie odbiorników korzystając z energii zgromadzonej w baterii akumulatorów. Zasób tej energii jest jednak w sposób oczywisty ograniczony i ze względu na nieokreślony moment powrotu zasilania z sieci energetycznej konieczne jest stosowanie agregatów prądotwórczych jako rezerwowego źródła zasilania załączanego przez układ SZR. W niniejszym artykule zostaną przedstawione najczęstsze problemy, z jakimi spotykają się użytkownicy eksploatujący współpracujące ze sobą zasilacze UPS i agregaty prądotwórcze, oraz zostaną wyjaśnione zasady ich doboru do pracy w tandemie.

Eksploatacja zasilacza UPS i agregatu prądotwórczego pracujących osobno dla konkretnej grupy odbiorów na ogół nie niesie ze sobą zbyt wielu problemów, a jeżeli już to problemy te stosunkowo łatwo jest rozpoznać, nazwać i rozwiązać. Są one związane głównie z przeciążeniem, zakłóceniami albo awarią urządzeń zasilających. Jednak jeśli urządzenia te pracują razem (agregat zasila UPS) to wówczas dość często zdarzają się problemy, które trudno jest właściwie zidentyfikować. Zdarza się, że zasilacz UPS po przyłączeniu do niego napięcia z agregatu prądotwórczego nie chce z nim współpracować, albo agregat prądotwórczy po podłączeniu do niego UPS-a zatrzymuje się z bliżej nieokreślonych przyczyn. Jest to źródłem wielu kłopotów użytkownika, a rozwiązanie najczęściej okazuje się trudne i kosztowne.
Oczywiste jest, że moc agregat, prądotwórczego musi być nie mniejsza niż moc odbiorów, ale praktycznie dobiera się agregaty z nadwyżką mocy w stosunku do obiorów. Dopasowanie mocy agregatu w stosunku do mocy odbiorów w stosunku 1:1 jest ryzykowne i nie gwarantuje poprawności pracy zespołu prądotwórczego, choć przy odpowiednim dobraniu urządzeń jest możliwe. Bilans mocy dla doboru agregatu prądotwórczego zasilającego zasilacz UPS oraz inne odbiory przedstawia się następująco:
P_nG ≥ k x P_nUPS + P_nodb.
gdzie:
P_nG – moc czynna znamionowa zespołu prądotwórczego w trybie ciągłym,
P_nUPS – moc czynna znamionowa UPS,
P_nodb. – suma mocy czynnej pozostałych odbiorników (w tym silniki elektryczne w rozruchu bezpośrednim jeśli ich moc nie przekracza 10% P_nG),
k – współczynnik przewymiarowania agregatu w stosunku do mocy UPS (w praktyce k = 1 ÷ 1,7).
Poniżej przedstawiono parametry zasilacza UPS, które są istotne dla prawidłowej pracy agregatu prądotwórczego oraz parametry agregatu, które są istotne dla prawidłowej pracy zasilacza UPS. Odpowiedź na pytanie, o ile większy powinien być agregat w stosunku do mocy zasilacza UPS jest możliwa po ich rozpatrzeniu.

Parametry napięcia agregatu prądotwórczego

Z punktu widzenia zasilacza UPS napięcie z agregatu prądotwórczego powinno spełniać następujące wymagania:

Stabilność napięcia
Stabilność napięcia generatora (tolerancja napięcia) powinna być lepsza od tolerancji napięcia na wejściu prostownika UPS. Dotyczy to szczególnie stanów nieustalonych czyli zachowania się napięcia generatora przy skokowym załączeniu obciążenia. Stabilność napięcia generatora zależy od dwóch czynników, tj. od parametrów generatora i jego układu wzbudzenia i regulacji napięcia. Załączenie obciążenia na generator skutkuje spadkiem napięcia, które regulator napięcia w czasie liczonym w setkach milisekund wyrównuje do wartości zadanej. Od jakości i szybkości regulatora napięcia oraz od parametrów generatora (Xd”, stała czasowa maszyny, inne) zależy proces odbudowy napięcia generatora. Im stabilniejsze obroty silnika tym lepsze warunki regulacji napięcia i krótszy czas regulacji. W trakcie stabilnych warunków pracy regulator napięcia powinien gwarantować stabilność napięcia generatora na poziomie 0,5 – 1% UnG przy zachowaniu stabilności częstotliwości w granicach -2% do +5%fnG zgodnie z zaleceniami producentów generatorów.

Rys. 1. Eksploatacja zasilacza UPS i agregatu prądotwórczego może rodzić problemy w przypadku nieprawidłowego doboru urządzeń

Stabilność częstotliwości
Stabilność częstotliwości napięcia generatora (tolerancja częstotliwości / stabilność obrotów silnika) powinna być lepsza od tolerancji częstotliwości na wejściu prostownika UPS. Załączenie obciążenia na pracujący agregat prądotwórczy powoduje wzrost momentu oporowego na wale silnika i spadek obrotów. Od regulatora obrotów i samego silnika zależy wielkość spadku obrotów oraz czas regulacji obrotów do wartości zadanej. Właściwym regulatorem obrotów gwarantującym poprawną pracę zasilacza UPS jest regulator elektroniczny prędkości obrotowej, który reaguje o wiele szybciej od regulatora mechanicznego i ma większą dokładność. Ważne jest również to, że regulator elektroniczny w całym zakresie obciążenia stabilizuje obroty na stałym poziomie, co oznacza taką samą wartość częstotliwości zarówno na biegu jałowym, jak i przy 100% obciążeniu. W przypadku regulatora mechanicznego nie da się ustawić charakterystyki n = f(P) jako statycznej lecz jest to charakterystyka opadająca (astatyczna). Przeciętnie agregaty na biegu jałowym z mechanicznym regulatorem obrotów wytwarzają napięcie o częstotliwości około 52,5 Hz, a dla obciążenia znamionowego około 49,5 Hz.

Rys. 2. Przebieg napięcia odkształconego generatora na szynach rozdzielni pod wpływem odkształconego prądu wraz z rozkładem harmonicznych (źródło: artykuł ze strony internetowej; prof. dr hab. inż. Janusz Mindykowski: Dlaczego problem jakości energii elektrycznej w systemach okrętowych zasługuje na szczególną uwagę?)

Zawartość harmonicznych
Zawartość harmonicznych napięcia generatora THDu winna być możliwie jak najmniejsza. Obecnie produkowane alternatory mają wartość THDu na poziomie 2 – 3% na biegu jałowym. Jednak pod wpływem odkształconego prądu obciążenia wartość THDu rośnie, co skutkuje odkształceniem przebiegu napięcia generatora (rys. 2). Jeżeli odkształcenie napięcia generatora czyli wartość THDu wzrośnie powyżej pewnej wartości, to w skrajnym przypadku automatyka agregatu zatrzyma zespół prądotwórczy lub zasilacz UPS odłączy się od napięcia agregatu traktując je jako napięcie poza tolerancją i przejdzie w tryb pracy z baterii. Niektóre odbiory są bardzo czułe na odkształcone napięcie, co skutkuje ich nieprawidłową pracą, blokadą lub resetem. Dotyczy to w szczególności urządzeń medycznych, automatyki przemysłowej, urządzeń pomiarowych, linii produkcyjnych sterowanych elektronicznie.

Czas regulacji napięcia alternatora
Czas regulacji napięcia alternatora po zakłóceniu dynamicznym powinien być nie większy niż 0,5 s. Czas regulacji napięcia nie powinien przekraczać 0,5 sekundy, jeżeli agregat ma zasilać „czułe” odbiory w zmiennych warunkach obciążenia. Czas rzędu 0,5 sekundy z punktu widzenia zasilacza UPS jest długim czasem, w którym napięcie generatora może wyjść poza granicę tolerancji prostownika UPS, jednak im regulator jest szybszy tym mniejszy jest uchyb napięcia po zakłóceniu i większe prawdopodobieństwo, że prostownik UPS nie odłączy się od napięcia generatora, tzn. UPS będzie pracował zasilany przez agregat bez przechodzenia w tryb bateryjny.

Rys. 3. Charakterystyka soft-startu prostownika UPS o mocy 400 kVA produkcji Socomec

Główne cechy i parametry zasilacza

Tak jak jakość napięcia zasilającego generatora ma wpływ na pracę zasilacza UPS, tak i jakość poboru energii przez zasilacz UPS z zespołu prądotwórczego ma wpływ na pracę zespołu. Urządzenia oddziaływują na siebie wzajemnie. Dla agregatu istotne jest, aby UPS pobierał energię w taki sposób by nie powodowało to zakłóceń uniemożliwiających pracę agregatu. Główne cechy i parametry zasilacza, które decydują o prawidłowej pracy agregatu prądotwórczego to:

Regulowany soft-start prostownika UPS
W przypadku porównywalnej mocy zasilacza UPS oraz agregatu prądotwórczego istnieje ryzyko chwilowego przeciążenia agregatu wynikającego ze skokowego przyłączenia prostownika UPS – szczególnie w przypadku, gdy UPS obciążony jest znamionowo lub blisko tej wartości. Agregat jest w stanie oddawać nawet 110% mocy znamionowej w trybie pracy dorywczej, jednak moc ta nie może być załączona skokowo. Ze względu na możliwości silnika przyjmuje się za bezpieczne skokowe załączenie obciążenia o wartości 50-60% mocy znamionowej agregatu, ponieważ powyżej tej mocy istnieje możliwość zmiany parametrów napięcia alternatora poza granice tolerancji ustawionej w panelu automatyki, co prowadzi do całkowitego zatrzymania silnika. Na rysunku 3 przedstawiono działanie soft-startu prostownika UPS z możliwością regulacji czasu zwłoki uruchomienia prostownika po pojawieniu się napięcia agregatu prądotwórczego oraz regulacji zbocza narastania prądu prostownika w czasie jego rozruchu. Parametry soft-startu prostownika można tak dopasować, że przy odpowiednim doborze prądnicy i silnika zespołu prądotwórczego można dobrać agregat oraz UPS w stosunku mocy 1:1.

Rys. 4. Przebieg prądu i napięcia na wejściu prostownika IGBT zasilacza UPS produkcji Socomec

Zawartość harmonicznych prądu THDi
Zawartość harmonicznych prądu THDi pobieranego przez prostownik UPS musi być odpowiednio niska. W przeciwnym wypadku konieczne będzie przewymiarowanie agregatu względem UPS, a koszt inwestycyjny wynikający z zakupu agregatu o większej mocy może znacznie przekroczyć dopłatę za UPS z prostownikiem w pełni sterowalnym budowanym na bazie tranzystorów IGBT. Na rysunku 4 przedstawiono klasyczny przykład napięcia i prądu na wejściu prostownika UPS z THDi < 3% (prostownik IGBT). Należy pamiętać, że prostowniki tyrystorowe trójfazowe odkształcają prąd wprowadzając harmoniczne do sieci / agregatu na poziomie 40%, a filtry pasywne, które są na ogół w opcji, działają najlepiej przy obciążeniu znamionowym UPS, a takie obciążenie zdarza się niezwykle rzadko w rzeczywistości. Im większe THDi prądu pobieranego przez prostownik UPS z agregatu prądotwórczego tym konieczność większego przewymiarowania zespołu prądotwórczego. Dla 6-cio pulsowych, tyrystorowych mostków prostowniczych zachodzi konieczność przewymiarowania agregatu nawet o 70%.

Korekcja współczynnika mocy
Korekcja współczynnika mocy prostownika UPS ograniczająca pobór energii biernej z agregatu decyduje o parametrze jakim jest cosjwej. Prostowniki w pełni sterowalne mają tę zaletę, że pobierają praktycznie tylko moc czynną mimo, że odbiorniki zasilane z UPS pobierają z niego energię czynną i bierną. Dzięki temu prąd pozorny na wejściu prostownika ograniczony jest do składowej czynnej prądu. Na rysunku 3 widać brak przesunięcia fazowego między napięciem i prądem prostownika na jego wejściu. Dla zespołu prądotwórczego optymalnym obciążeniem jest odbiornik typu rezystancyjnego, co w praktyce oznacza brak przesunięcia fazowego między napięciem i pobieranym prądem i sinusoidalny pobór prądu ze źródła, czyli z generatora. W pełni sterowalny prostownik IGBT jest takim właśnie odbiornikiem dla agregatu.

Rys. 5. Tolerancja napięcia prostownika UPS produkcji Socomec w funkcji obciążenia

Tolerancja napięcia wejściowego
Tolerancja napięcia wejściowego UPS zależy od technologii prostownika i jego nadwyżki mocy w stosunku do mocy falownika. Ostatnio coraz częściej prostowniki UPS posiadają możliwość zwiększania tolerancji napięcia wejściowego w funkcji prądu obciążenia (rys 5). Większa tolerancja napięcia wejściowego, a szczególnie większa tolerancja na obniżone napięcie zasilające to gwarancja nieprzerwanej pracy prostownika bez przechodzenia UPS w tryb bateryjny. Zasilacze UPS nigdy nie są obciążone w 100%, a w związku z tym zakres tolerancji zwiększa się, w miarę zmniejszania obciążenia UPS. Efekt jest znakomity w instalacjach zasilanych przez starsze technologicznie agregaty, kiedy spadki napięcia przy dynamicznych zmianach obciążenia dochodzą do 30% i więcej.

Czas autonomii
Czas autonomii (praca z baterii) decyduje o zasilaniu bezprzerwowym pod warunkiem, że w trakcie tego czasu agregat prądotwórczy uruchomi się lub zostanie uruchomiony, a układ SZR poda napięcie na zasilacz UPS. Należy tu zaznaczyć, że czas pełnego cyklu rozruchowego agregatu powinien uwzględniać nieudany start i opóźnione załączenie prostownika UPS na agregat. Czasy podtrzymania rzędu 5 minut mogą okazać się zbyt krótkie, szczególnie w przypadku następujących po sobie kilku wyłączeń napięcia z sieci zawodowej. Czas na rozruch agregatu oraz czas przyłączenia napięcia do UPS może się wahać od 0,5 minuty do kilku minut, a przy częstych zanikach napięcia sieci UPS nie jest w stanie w krótkim czasie naładować baterii, która jest gwarantem bezprzerwowej pracy UPS, jeśli jest naładowana.

Podsumowanie

Problematyka współpracy dwóch różnych technologicznie urządzeń, jakimi są zespół prądotwórczy i zasilacz UPS, jest złożona i wymaga wiedzy i doświadczenia inżynierów. Testowanie tandemu zespół prądotwórczy – zasilacz UPS w czasie uruchomienia nie daje żadnej gwarancji, że nie pojawią się problemy eksploatacyjne w przyszłości, kiedy UPS zostanie obciążony rzeczywistymi odbiorami lub kiedy obciążenie wzrośnie na skutek przewidywanego wcześniej rozwoju użytkownika pod względem mocy przyłączanych odbiorników. Wtedy właśnie najczęściej zaczynają się prawdziwe kłopoty. Niestety nie ma prostych i łatwych rozwiązań w takich sytuacjach. Wymiana urządzeń na większe lub inne technologicznie wiąże się z ogromnymi kosztami i ze stratą wynikającą z zakupu niewłaściwego urządzenia. Użytkownik nie musi wiedzieć wszystkiego o doborze urządzeń, dlatego odpowiedzialność za zakup zespołu prądotwórczego i współpracującego z nim zasilacza UPS powinna leżeć po stronie dostawcy urządzeń, a jeżeli dostawców jest dwóch (jeden dostawca dostarcza agregat prądotwórczy, drugi zasilacz UPS) to konieczne jest ustalenie warunków pracy i parametrów współpracujących urządzeń, tak aby użytkownik miał gwarancję poprawności pracy tandemu.

mgr inż. Jacek Katarzyński
Autor jest wiceprezesem zarządu
w firmie Delta Power