wersja mobilna
Online: 588 Środa, 2017.10.18

Raporty

Zasilanie gwarantowane staje się dla nowoczesnej elektroniki coraz bardziej istotne - Strona 3

piątek, 15 września 2017 11:11

Elektroniki w naszym życiu jest coraz więcej i pełni ona coraz bardziej odpowiedzialne zadania, przez co nieprzerwana dostępność zasilania staje się jednym z ważniejszych zagadnień, jakie muszą rozwiązywać projektanci i integratorzy systemów w technice. Zapraszamy do zapoznania się z obszernym artykułem techniczno-rynkowym poświęconym zagadnieniom zasilania bezprzerwowego w technice. Omawiamy w nim wszystkie istotne trendy i zjawiska z tego obszaru, pokazujemy produkty i dostawców obecnych na rynku krajowym.

Spis treści » Produkty do zasilania gwarantowanego
» Zasilacze bezprzerwowe UPS
» Zasilacze buforowe
» Zasilacze buforowe z superkondensatorami
» UPS-y o stałym napięciu wyjściowym
» Akumulatory
» Ogniwa paliwowe, agregaty
» UPS-y w aplikacjach małej i średniej mocy
» UPS-y w zastosowaniach przemysłowych
» Dostawcy systemów zasilania gwarantowanego
» Zestawienie w tabelach
» Pokaż wszystko
Akumulatory

Integralną częścią wszystkich systemów zasilania gwarantowanego są akumulatory, zapewniające magazynowanie energii elektrycznej. Dla systemów przemysłowych znakomita część rozwiązań zasilania bazuje na ogniwach kwasowo-ołowiowych. Systemy małej mocy oraz rozwiązania specjalistyczne wykorzystują też akumulatory litowo-jonowe, a w elektronice konsumenckiej także wersje niklowo-wodorkowe. Niemniej ilościowo i wartościowo rynek jest zdominowany przez akumulatory ołowiowo-kwasowe, bo są one relatywnie tanie, wystarczająco dobre i powszechnie dostępne.

Obserwując zmiany na rynku związane z samochodami elektrycznymi lub aplikacjami energii odnawialnej, gdzie z powodzeniem aplikuje się akumulatory litowo-jonowe, można zaryzykować twierdzenie, że w przyszłości zyskają one większe znaczenie także w systemach zasilania gwarantowanego. Masowe zastosowania w motoryzacji i dobre perspektywy rynku powodują, że aktualnie trwa budowa wielu dużych fabryk takich ogniw.

Także w Polsce LG Chem realizuje taką inwestycję. Oznacza to, że podaż w kolejnych latach będzie się zwiększać i zapewne w konsekwencji ceny akumulatorów litowo-jonowych spadną. W zasilaczu buforowym takie ogniwa będą bardzo przydatne, gdyż w porównaniu do wersji kwasowo-ołowiowych są lekkie, mają minimalne samorozładowanie i zapewniają dużą gęstość mocy. Nie bez znaczenia jest to, że napięcie nominalne wynosi w tym przypadku 3,7 V, a więc dla równoważnego napięcia potrzeba mniej ogniw.

Stopień specjalizacji firm
w zakresie zasilania gwarantowanego

Firm, dla których omawiana tematyka stanowi wąską i główną specjalizację, jest w tym opracowaniu 17%. To dość dużo jak na warunki panujące w Polsce oraz w porównaniu do innych grup urządzeń i komponentów omawianych w naszych analizach. Zasilanie gwarantowane i związane z nim produkty stanowią na tyle wartościowy sprzęt i jednocześnie powszechnie wykorzystywany, że mogą one stać się centralną częścią biznesu lub nawet wąską specjalizacją. Tezy tej nie podważa nawet drugi koniec powyższego zestawienia, mówiący, że dla połowy dostawców jest to tylko drobny dodatek do większej całości. Po prostu rynek systemów zasilających jest na tyle szeroki, że miejsca jest dosyć dla wszystkich.

Akumulatory kwasowo-ołowiowe w systemach zasilania gwarantowanego to w dużej mierze wersje szczelne (typu SLA lub z zaworami bezpieczeństwa VRLA). Zapewniają one duże bezpieczeństwo eksploatacji, pozwalają na pracę w dowolnej pozycji i nie wymagają serwisowania, takiego jak uzupełnianie elektrolitu. Żywotność tego typu akumulatorów jest duża i wynosić może kilkanaście, typowo 5 lub 10 lat. Jednostki takie są wykonywane w wersjach AGM oraz żelowej.

W pierwszym przypadku pomiędzy płytami znajdują się separatory wykonane z włókna szklanego, które zawierają elektrolit, natomiast dla akumulatorów żelowych elektrolit ten utrzymywany jest w postaci żelu bazującego np. na żywicy silikonowej. Cechą tych pierwszych jest długi czas pracy i stosunkowo niska rezystancja wewnętrzna, co jest pożądane w zasilaczach UPS (do pracy cyklicznej). Z kolei akumulatory żelowe cechuje większa odporność na wstrząsy, wibracje oraz możliwość lepszego odprowadzania wytwarzanego ciepła. One kierowane są do zasilaczy buforowych.

Większość akumulatorów tego typu ma napięcie nominalne 12 V i jest umieszczona w standardowej prostopadłościennej obudowie z niepalnego tworzywa. Warto dostrzec, że w tej grupie produktów mamy daleko posuniętą standaryzację zapewniającą zgodność wymiarów i kształtów, wyprowadzeń, typów, pojemności (od ok. 1 do 200 Ah). To bardzo korzystna cecha zapewniająca wysoką konkurencyjność na rynku, dostępność produktów od wielu producentów oraz możliwość zmiany typu akumulatora na inny, np. o szerszym zakresie temperatur pracy.

Ogniwa paliwowe, agregaty

Wiele systemów zasilania gwarantowanego ma strukturę hybrydową, a więc podstawowa jednostka, taka jak UPS, jest dodatkowo wspierana pomocniczym źródłem zasilania zapewniającym długi czas podtrzymania. Z reguły takie systemy są instalowane w przemyśle, gdzie utrata zasilania w trakcie procesów ciągłych jest niedopuszczalna.

W takiej sytuacji instalowany jest UPS dużej mocy wspomagany agregatem prądotwórczym, dzięki czemu nie ma konieczności instalacji akumulatorów o dużej pojemności i daje się zapewnić długi czas pracy autonomicznej. Agregaty prądotwórcze są stosowane jako rezerwowe źródło zasilania wszędzie tam, gdzie wymagany czas podtrzymania przekracza 40 min.

Zestawienie najważniejszych trendów
technicznych zmieniających rynek

Na wykresie pokazane jest zestawienie najważniejszych trendów technicznych zmieniających rynek zasilania gwarantowanego i odpowiedzialnych za tempo jego ewolucji. Za najbardziej istotną zmianę uznano powiększającą się sprawność, która już dawno przekroczyła 90% i dla wielu producentów stała się synonimem zaawansowania technicznego. Drugim czynnikiem jest modułowa konstrukcja i skalowalność pozwalająca na zmiany konfiguracji jednostek i dopasowanie ich funkcjonalności do aktualnych potrzeb bez konieczności zmiany całości. Z kolei komunikacja i zarządzanie pracą przez sieć lub całkowicie zdalnie to trend w całej technice, w ramach którego wszystko staje się połączone ze sobą, dzięki czemu można ograniczyć koszty serwisu, nadzoru i obsługi technicznej.

Wiele jednostek uruchamia się w czasie ok. 20 sekund od momentu zaniku prądu w sieci. Co istotne, nowoczesne agregaty mogą działać autonomicznie - zawierają sterownik zapewniający zdalne sterowanie i kontrolę pracy silnika z opcją powiadamiania alarmowego (uruchomienie, nadzór nad obciążeniem, blokada pracy w przypadku, gdy napięcie sieciowe pojawi się ponownie, czasy reakcji itp.).

Dla systemów mniejszej mocy agregat jest sporym obciążeniem, bo jest to zwykle urządzenie duże, ciężkie i mało mobilne. W takich sytuacjach zapewnienie długiego czasu podtrzymania zasilania niestety jest kłopotliwe lub kosztowne. Na rynku dostępne są źródła energii wykorzystujące ogniwa paliwowe o średniej mocy umieszczone w prostopadłościennej obudowie i dostarczające moc rzędu kilkuset watów. Pozwalają one na zapewnienie zasilania w każdych warunkach. Niemniej na razie są to rozwiązania bardzo drogie.

UPS-y w aplikacjach małej i średniej mocy

W aplikacjach małej i średniej mocy chętnie korzysta się z zasilaczy UPS przeznaczonych do zasilania sprzętu komputerowego, bo są one tanie, łatwo dostępne i mają niezłe parametry. W wielu wypadkach zastosowanie UPS-a o większej mocy (przewymiarowanie systemu) uwalnia od problemów z rozruchem urządzeń lub pewnością zasilania i stąd takie rozwiązania są stosowane. UPS tego typu pracuje zwykle w technologii line interactive, co oznacza, że przy obecności sieci falownik nie pracuje a napięcie przekazywane jest bezpośrednio z wejścia na wyjście przez styki przekaźnika.

Zanik sieci powoduje włączenie falownika i podłączenie do niego zasilanego urządzenia. Czas przełączenia wynosi kilka milisekund. Zasilacze takie mają napięcie wyjściowe, które jest kształtem zbliżone do sinusa, pozwalają na zarządzanie i nadzór przez sieć lub USB i zwykle są dostępne w małych obudowach mieszczących też akumulator (jeden lub kilka w zależności od mocy wyjściowej).

Największe problemy oddziałujące
na rynek zasilania gwarantowanego

Zestawienie najbardziej palących problemów i zjawisk negatywnie oddziałujących na rynek zasilania gwarantowanego otwiera silna konkurencja. Duży, wartościowy rynek oddziałujący na wiele branż, spora liczba producentów, w tym wiele firm azjatyckich, powodują, że biznes nie jest w tym obszarze sielanką. Dodatkowo wiele jednostek takich jak zasilacze buforowe to proste konstrukcje o standardowych właściwościach, które może wytwarzać i produkuje wielu. Efekt jest taki, że coraz częściej jedynym kryterium wyboru urządzeń zasilających jest cena. Bo klienci nie mają odpowiedniej wiedzy do tego, aby prawidłowo dobrać urządzenia pod potrzeby, a na dodatek brakuje im funduszy i starają się oszczędzać. Brak wiedzy na temat zasilania, zależności związanych z zapewnieniem gwarancji, bagatelizacja problemów, niestety przez wielu pytanych były wykazywane jako istotne ograniczenie dla biznesu.

UPS-y tego typu nie są remedium na problemy z jakością sieci zasilającej, np. spadkami napięcia. Można powiedzieć też, że gdy jakość energii jest nie najlepsza, rozwiązania te mogą sprawiać też dodatkowe problemy, np. związane z częstym przełączaniem się w tryb awaryjny. Te problemy producenci starają się ograniczać, wyposażając jednostki w system stabilizacji napięcia zmiennego bazujący na transformatorach obniżająco-podwyższających lub ferrorezonansowych.

Utrzymują one napięcie wyjściowe nawet z dokładnością do ±3% przy zmianach wejściowego od -40% do +20%, ograniczają też zaburzenia nadchodzące z sieci. Ale ich główną zaletą jest łagodzenie przełączeń zasilania dzięki zgromadzonej energii magnetycznej, co częściowo upodabnia skutki ich działanie do działania UPS-ów online.

Bogdan Krzyścik

Merawex

  • Jakie są najważniejsze cechy zasilaczy buforowych od strony technicznej?

Zasilacz buforowy często rozumiany jest jako zasilacz ze skorygowanym, odpowiednio do współpracującego akumulatora, napięciem wyjściowym. Tymczasem są to dość skomplikowane urządzenia wyposażone w mikrokontroler sprawujący zaawansowaną kontrolę nad parametrami samego zasilacza i dołączoną do niego baterią akumulatorów.

Kompensacja temperaturowa napięcia wyjściowego, ograniczenie prądu ładowania czy rozłącznik głębokiego rozładowania to w tej chwili standardowe funkcje, które musi mieć każdy dobry zasilacz buforowy. Bardziej zaawansowane konstrukcje dają możliwość współpracy z akumulatorami wykonanymi w różnych technologiach i o dużym zakresie pojemności. Takie jednostki zapewniają często różne tryby ładowania akumulatorów oraz kontrolują ich stan.

  • Jakie nowości techniczne pojawiają się na rynku zasilaczy buforowych?

Ponieważ nie ma dobrej i wiarygodnej metody pomiaru pojemności akumulatorów w pracującym systemie zasilania gwarantowanego, pojawiają się różne sposoby oszacowania stanu pracujących w danej aplikacji akumulatorów. Jedna z takich metod to pomiar rezystancji całego obwodu bateryjnego. O ile zastosowanie tej metody do pojedynczych akumulatorów o małych pojemnościach jest stosunkowo proste, o tyle pomiar rezystancji w wielu ciągach bateryjnych o pojemnościach kilkuset Ah nie jest już sprawą banalną.

W takich układach stosuje się pomiar impedancji obwodu bateryjnego określonym sygnałem zmiennym generowanym przez układ kontrolny zasilacza. Należy pamiętać, że zawsze mierzona jest rezystancja całego obwodu akumulatora, czyli suma rezystancji wewnętrznych akumulatorów, przewodów, złączy i innych elementów występujących w torze bateryjnym. Dlatego ta metoda wymaga ustalenia pewnego poziomu odniesienia, a następnie obserwacji przyrostu rezystancji w czasie.

Od tego jakie zmiany rezystancji są sygnalizowane przez układ pomiarowy zasilacza oraz od właściwej interpretacji tych wyników przez inżyniera znającego układ zasilania zależy, czy uda się w porę rozpoznać zbliżające się uszkodzenie akumulatorów.