Zasilacze UPS – rynek, zastosowanie, dobór

INSTALACJE Zasilacze UPS rynek, zastosowanie, dobór

mgr inż. Karol Kuczyński Rosnące zapotrzebowanie rynku w zakresie bezprzerwowych zasilaczy UPS pracujących w systemach o zwiększonej niezawodności powoduje, że producenci mają w swojej ofercie urządzenia w zakresie mocy od kilkuset VA do nawet kilkuset kVA [1, 8]. Zaniki i zapady napięcia oraz inne zaburzenia, które występują w sieciach elektroenergetycznych, powodują, że wrażliwe urządzenia elektroniczne i komputery ulegają zawieszeniu lub uszkodzeniu. Niestety, coraz częściej dotykają nas regularne przerwy w dostawach energii elektrycznej spowodowane uszkodzeniami linii napowietrznych przez powalone drzewa pod ciężarem śniegu lub nawałnic towarzyszącym opadom deszczu.

Skutki awarii

Warto przytoczyć wydarzenia ze Szczecina, które miały miejsce dość dawno, bo w kwietniu 2008 r., ale wyraźnie pokazują problem. Doszło wtedy do awarii, w wyniku której w mieście nie było zasilania przez ponad 20 odzin. Nastąpił totalny paraliż komunikacyjny, nie pracowały również żadne instytucje, szkoły, sklepy, banki oraz stacje benzynowe.

Niestety, nie można wykluczyć, że podobne przypadki nie wydarzą się w innych polskich miastach. Tym bardziej, że podobne zdarzenia miały już miejsce, choć na szczęście w mniejszej skali, jak burze, które kilka lat temu pustoszyły Śląsk i spowodowały odcięcie od dostaw energii 10 tysięcy gospodarstw domowych, czy też silny wiatr w Tychach, który doprowadził do zerwania linii średniego napięcia, w rezultacie 2,5 tysiąca odbiorców zostało pozbawionych energii [3, 4]. Takich przykładów jest więcej i zdarzają się niemal co roku w różnych regionach kraju.

Agencja Rynku Energii przedstawiła prognozy, które przewidują średnioroczny wzrost zużycia energii w naszym kraju na poziomie od ok. 1 do 3% w najbliższych 15–20 latach. Mimo iż dane te nie wydają się być szczególnie zastraszające, to Polska może mieć poważne problemy z pokryciem zapotrzebowania na energię elektryczną. Obecnie istniejące bloki energetyczne są w dużej części wyeksploatowane i w najbliższych latach będą wyłączane. Eksperci szacują, że w najbliższym czasie konieczne będzie wyłączenie z eksploatacji bloków o łącznej mocy około 7 GW (spośród istniejących obecnie 36 GW) [3, 4]. Według danych PSE pandemia koronawirusa pokazała również rekordowe zużycie energii elektrycznej w dniu 12.02.2021 r., na poziomie 27 617 MW.

Jak pokazują doświadczenia australijskiego operatora rynku energetycznego AEMO, zastąpienie konwencjonalnej energetyki systemami OZE może powodować problemy z zapewnieniem dostaw energii elektrycznej. W 2017 r. podczas upałów w południowej

UPS-Y W DOMU – DO CZEGO SŁUŻĄ?

Zasilacze UPS to urządzenia przeznaczone do zapewnienia bezprzerwowej pracy urządzeń komputerowych, łączności oraz innych odbiorników elektrycznych o znaczeniu krytycznym w przypadku zaniku napięcia w sieci zasilającej. Systemy bezpieczeństwa w inteligentnym budynku również wymagają zasilania awaryjnego. Zasilacze UPS (Uninterruptible Power Supply) należą obecnie do najbardziej rozpowszechnionych urządzeń podtrzymujących napięcie zasilania na wyjściu. Dodatkowo zapewniają one eliminację zakłóceń pochodzących z sieci elektroenergetycznej oraz mogą izolować galwanicznie odbiory od sieci energetycznej poprzez wbudowany transformator separujący. Przy doborze zasilaczy UPS należy koniecznie uwzględniać rzeczywiste wartości prądu obciążenia, a nie tylko moc odbiorników.

Fot. autor

Australii z powodu układu barycznego prędkość wiatru praktycznie zmalała do zera, w wyniku czego elektrownie wiatrowe produkowały tylko nieco ponad 1% zapotrzebowanej energii elektrycznej. W 2020 r. powtarzające się burze piaskowe ograniczyły udział fotowoltaiki w produkcji energii elektrycznej.

Przerwy w dostawach energii prowadzą do konkretnych i wymiernych strat. Mogą również powodować uszkodzenia poszczególnych urządzeń w przypadku choćby chwilowego zatrzymania linii produkcyjnej. Ale przecież w firmach nie pracują jedynie linie produkcyjne, ale też wszelkiego rodzaju elektroniczny sprzęt biurowy, systemy monitoringu, centrale abonenckie i wiele innych urządzeń elektrycznych.

UPS-y na polskim rynku

W obecnym skomercjalizowanym świecie nikt nie może sobie pozwolić na utratę zasilania czy uszkodzenia podzespołów elektronicznych spowodowane przez zapady napięcia lub przepięcia. W Polsce zasilacze awaryjne używane są praktycznie wszędzie: od prywatnych komputerów domowych po duże zakłady przemysłowe. UPS-y gwarantują nie tylko zasilanie, ale również jego właściwe parametry [3].

Na polskim rynku istnieje kilkadziesiąt firm oferujących różnego typu UPS-y. Konkurencja jest bardzo silna, a dodatkową presję na politykę cenową wywierają tanie produkty z Chin. Rynek rozwija się w sposób dynamiczny, dotyczy to jednak głównie UPS-ów komercyjnych. Przemysłowe rozwiązania do zasilania awaryjnego stanowią bowiem odrębny segment. Działają w nim inni producenci niż w sektorze komercyjnym, wymagane jest również odmienne podejście do użytkownika końcowego, oparte głównie na sprzedaży bezpośredniej, z wykorzystaniem własnych handlowców [3, 6].

Segment przemysłowy stanowi według szacunków około 20–30% całkowitej wartości rynku UPS-ów w Polsce i doświadcza bardziej umiarkowanego wzrostu w porównaniu do segmentu komercyjnego. Jednak dzięki modernizacjom w sektorze energetycznym oraz planowanym inwestycjom w nowe moce wytwórcze, rynek w ciągu najbliższych lat z pewnością znacznie zyska na atrakcyjności. Najbliższe lata mogą okazać się dla rynku UPS-ów przemysłowych bardzo ciekawe. Producenci oczekują bowiem szybkiego wzrostu i dalszego rozwoju sektora. Wiąże się to z wejściem długo oczekiwanych inwestycji w energetyce w fazę realizacji oraz z nowymi inwestycjami w infrastrukturę gazową [3, 6].

Niezawodność zasilania

Najczęściej urządzenia charakteryzują się współczynnikiem pewności pracy na poziomie zbliżonym do jedności. Istnieje wiele różnych miar niezawodności pracy urządzeń. Jednym z nich jest współczynnik MTBF (Mean Time Between Failures), który definiowany jest jako średni okres między awariami, czyli wartość oczekiwana czasu między uszkodzeniami elementów powodujących utratę zdolności do realizacji funkcji, do których został zbudowany. Jest on wyrażany w jednostkach czasu, np. godzinach [1, 3]. Natomiast średni czas naprawy urządzenia rozumiany jako wartość oczekiwana czasu między wystąpieniem awarii a chwilą ponownej zdolności do realizacji funkcji określa współczynnik MTTR (Mean Time To Repair). Najczęściej jest wyrażany w jednostkach czasu, np. godzinach.

Zasilacze UPS charakteryzują się najczęściej bardzo wysokim współczynnikiem MTBF. Jednak aby określić współczynnik MTBF w jednostkach względnych dla konkretnej instalacji zasilacza UPS, konieczna jest nie tylko bezwzględna wartość określona przez producenta, ale również czas naprawy w rzeczywistych warunkach. Czas naprawy zależy bowiem od: czasu reakcji serwisu na awarię, czasu dojazdu do urządzenia, dostępności części zamiennych, czasu naprawy oraz czasu na wykonanie potrzebnych testów [1, 3].

Wartość MTBF dla urządzeń produkowanych przez różnych producentów jest różna. Można przyjąć, że dla pojedynczego urządzenia UPS dobrej marki wartość MTBF wynosi 99,99790%. Zmienia się jednak wartość współczynnika MTBF dla grupy UPS-ów pracujących równolegle z redundancją, w zależności od liczby jednostek w grupie. Wydawać by się mogło, że im większa liczba jednostek w zestawie, tym wartość MTBF jest większa. W tym przypadku awaria jednej jednostki UPS nie powoduje przerwy w zasilaniu odbiorników. Tak jednak nie jest, ponieważ przy większej liczbie jednostek UPS rozbudowany jest układ sterowania tymi jednostkami, który jest wspólny dla całego układu. Ponadto przy większej liczbie jednostek w układzie wzrasta prawdopodobieństwo awarii kolejnej jednostki w czasie, gdy jedna już uległa awarii i jest niesprawna. Nadmierne zwiększanie liczby jednostek w układzie może spowodować, że wypadkowa wartość MTBF dla układu będzie mniejsza niż wartość MTBF dla pojedynczej jednostki [1, 3].

Należy tu jednak zaznaczyć, że współczynniki MTBF podawane przez producentów UPS-ów dotyczą jedynie urządzeń UPS, bez uwzględnienia pozostałych elementów układu zasilania, takich jak: aparatura stosowana w rozdzielnicach, automatyka rozdzielnic, połączenia kablowe itp. Na niezawodność zasilania odbiorników duży wpływ ma również struktura i aparatura zastosowana w układzie dystrybucji energii oraz w obwodach odbiorczych zasilania odbiorników. Z tego powodu dokładna analiza niezawodności całego układu jest często bardzo złożona i trudna do przeprowadzenia.

Moc znamionowa UPS-a jest mocą na wyjściu zasilacza, czyli jest to moc, jaką UPS jest w stanie dostarczyć do odbiorników. Moc pobierana przez UPS jest większa o wartość strat, moc potrzebną na doładowanie baterii akumulatorów w zasilaczu UPS. Posiadając koncepcję układu zasilania gwarantowanego, można przystąpić do dobrania mocy poszczególnych zasilaczy UPS. Po wyliczeniu mocy zapotrzebowanej przez odbiory należy dobrać moc UPS-a. Ponieważ współczynnik mocy wyjściowej UPS-a jest różny dla różnych konstrukcji, należy uwzględnić zarówno moc pozorną, w [VA], jak i moc czynną, w [W]. Przy doborze mocy zaleca się uwzględnienie potrzeb na przyszłą rozbudowę odbiorników. Zwykle przewymiarowanie wynosi 20% mocy odbiorników. Niektóre zasilacze UPS mają możliwość zwiększenia mocy poprzez aktualizację oprogramowania UPS-a, bez konieczności dokładania dodatkowych elementów systemu. Taka możliwość zapewnia rozbudowę systemu w przyszłości. Należy jednak dobrać kable i inne elementy obwodu zasilania na moc docelową. Dla UPS-ów średniej i dużej mocy moc odbiorników może być zapewniona przez sumę mocy UPS-ów pracujących równolegle (sumacyjnie).

Podsumowanie

Aby zapobiegać awariom, niezbędne jest zastosowanie zasilaczy awaryjnych UPS, które zabezpieczą sprzęt i dane oraz urządzenia pracujące w biurze. Każda firma powinna poważnie zastanowić się nad zakupem zasilaczy awaryjnych. Inwestycja taka jest przeważnie mniej kosztowna niż naprawa bądź wymiana sprzętu, który ucierpiał w wyniku niespodziewanego zaniku zasilania, a także strat produkcyjnych.

Literatura

1. T. Sutkowski, „Rezerwowe i bezprzerwowe zasilanie w energię elektryczną”, COSiW SEP, Warszawa 2007. 2. J. Wiatr, M. Miegoń, „Zasilanie budynków użyteczności publicznej oraz budynków mieszkalnych w energię elektryczna”, Niezbędnik elektryka nr 4,

Warszawa 2012. 3. K. Kuczyński, „Rynek zasilaczy UPS w Polsce a niezawodność zasilania – zagadnienia wybrane”, „elektro.info” nr 4/2013. 4. Materiały firmy Ever. 5. Materiały firmy Eaton. 6. Materiały firmy Frost & Sullivan. 7. Materiały firmy Comex. 8. Materiały firmy APC by Schneider Electric.