Systemy zasilania gwarantowanego

Elektroniki w naszym środowisku jest coraz więcej i pełni ona coraz bardziej odpowiedzialne zadania, przez co nieprzerwane zasilanie staje się jednym z ważniejszych zagadnień, jakie muszą rozwiązywać projektanci i integratorzy systemów w technice. W przemyśle utrata zasilania, a nawet chwilowa niestabilność, to wymierne straty wywołane niekontrolowanym przestojem, dlatego gwarancja tego, że będzie ono dostępne, jest warunkiem koniecznym do zapewnienia jakości i potencjału przedsiębiorstwa. Niewątpliwie awarii sieci energetycznych jest dzisiaj mniej niż dekadę temu, ale ponieważ nieustannie przybywa sprzętu wymagającego podtrzymania lub stałego zasilania, całość branży jest rozwojowa.

Im większa moc, dłuższy wymagany czas podtrzymania i większa dostępność energii elektrycznej, tym zapewnienie gwarancji zasilania staje się coraz bardziej złożone i kosztowne. Dlatego wyboru odpowiedniego wariantu powinno się dokonać na podstawie kilku czynników, np. oczekiwanej niezawodności, kryteriów ekonomicznych, możliwości przystosowania instalacji elektrycznej czy możliwości zapewnienia właściwych warunków montażu, pamiętając, że ciągłość zasilania jest podstawowym warunkiem bezpieczeństwa klientów, pracowników oraz mienia.

W obszarze zasilania gwarantowanego liczy się dzisiaj ogólny wzrost wymagań i jakości, a świadomość użytkowników związana ze stratami w przypadku przerwy w dostawie energii też jest większa. Mówi się także, że nic nie działa tak dobrze na rozwój rynku, jak spektakularna wpadka oraz problemy powstałe na skutek zaniedbań, bo one mają wyjątkowo przemawiający do wyobraźni aspekt edukacyjny. Warto też odnotować, że rośnie liczba ekstremalnych zjawisk pogodowych, wywołujących awarie. Stają się one istotnym czynnikiem ryzyka, tym bardziej że przerwy w dostawach są tutaj bardzo długie.

Po stronie czynników prorozwojowych dla rynku warto jeszcze wymienić popularyzację usług dostępnych w chmurze, szybki rozwój Internetu i wzrost szybkości łączy telekomunikacyjnych, które przekładają się na coraz większą liczbę obiektów infrastrukturalnych pracujących non stop. To wszystko powoduje, że znaczenie omawianego sektora rynku we współczesnej technice nieustannie się zwiększa.

PRODUKTY DO ZASILANIA GWARANTOWANEGO

Do podstawowych urządzeń zasilania gwarantowanego zalicza się zasilacze buforowe wyposażone w akumulatory i zasilacze UPS, które są w stanie zapewnić niezbędne zasilanie energią, wymagające przemiennego napięcia o parametrach takich jak sieć energetyczna. Dla większości urządzeń i systemów magazynem energii na czas awarii są akumulatory.

W dużych systemach urządzenia te są wspomagane przez agregaty prądotwórcze, natomiast rozwiązania zasilaczy bezprzerwowych małej mocy oraz wersje zapewniające krótkie czasy podtrzymania korzystają z superkondensatorów. Ogniwa paliwowe oraz inne rozwiązania takie jak generatory termoelektryczne to domena zastosowań specjalnych.

Sprzedaż systemów zasilania gwarantowanego

Jeśli chodzi o obroty osiągane przez dostawców systemów zasilania gwarantowanego, to blisko jedna trzecia firm ma sprzedaż nieprzekraczającą 500 tys. zł rocznie. Generalnie zasilacze bezprzerwowe są urządzeniami drogimi, kosztowne są zwłaszcza jednostki o dużej mocy, przez co należy domyślić się, że niewielka sprzedaż dotyczy handlu uzupełniającego akumulatorami i prostymi zasilaczami buforowymi. One są sprzedawane przez dystrybutorów podzespołów elektronicznych i komponentów automatyki, dostawców systemów alarmowych i ochrony mienia. 8% firm, które zadeklarowały obroty roczne powyżej 25 mln zł (czyli co 12. firma z zestawienia), to specjalizowani dostawcy takich systemów, mający w ofercie jednostki dużej mocy. W praktyce takich firm jest nieco więcej, gdyż nie wszyscy ankietowani udzielili odpowiedzi na to pytanie.

Największym problemem technicznym rynku zasilania gwarantowanego są oczywiście akumulatory, a dokładnie ich ograniczona pojemność i żywotność, a także zjawiska takie jak np. przedwczesna utrata pojemności. Szybki postęp technologiczny w zakresie efektywnej konwersji energii elektrycznej równoważy trochę umiarkowane lub nawet słabe tempo rozwoju rynku chemicznych źródeł prądu. Niemniej lata lecą, a podstawowym typem ogniw na rynku cały czas są wersje kwasowo-ołowiowe. Specjaliści mówią wprawdzie, że technologia litowo-jonowa się popularyzuje, ale w praktyce zmiany daje się dostrzec jedynie w zasilaczach buforowych.

ZASILACZE BEZPRZERWOWE UPS

Zasilacze bezprzerwowe UPS są stosowane przede wszystkim w centrach danych, systemach komunikacyjnych, w energetyce i przemyśle. Na rynku dostępne są urządzenia różnych typów. Gdy bezprzerwowa dostawa energii o odpowiednich parametrach staje się wymaganiem podstawowym, naturalnym wyborem jest UPS online.

Niezależnie od pracy sieci zasilającej, dostarcza on energię o wysokiej jakości (pozbawioną zaburzeń EM i harmonicznych), a w razie awarii bezprzerwowo przełącza się na pracę z baterii. Aplikacje o mniej krytycznych wymaganiach mogą z kolei korzystać z tańszych rozwiązań typu offline lub pośredniej wersji tego urządzenia z tzw. interaktywną linią sieciową.

W skład większości UPS-ów, niezależnie od ich wielkości i topologii, wchodzą akumulatory, ładowarka i przetwornica (inwerter) zamieniająca niskie napięcie stałe w przemienne. Różnice między topologiami dotyczą tego, czy przetwornica pracuje cały czas, czy jest załączana dopiero podczas awarii. Cechą UPS-a online jest podwójna konwersja energii, z sieci do napięcia akumulatora i dalej z powrotem na sieć.

Dzięki temu przetwornica zasila obciążenie czystym i dokładnie stabilizowanym przez UPS napięciem przemiennym. Oprócz tego prostownik zasilający falownik z sieci zapewnia korekcję współczynnika mocy, przez co UPS online jest w istocie też filtrem, który chroni urządzenia przed zakłócającymi wpływami sieci energetycznej, optymalizując równocześnie obciążenie w stosunku do sieci.

W UPS-ie offline w trakcie normalnej pracy obciążenie jest zasilane bezpośrednio z sieci energetycznej, przez co napięcie na obciążeniu nie jest stabilizowane ani filtrowane. Gdy napięcie zasilania spadnie poza ustaloną granicę, zasilanie obciążenia jest przełączane przekaźnikiem na przetwornicę i akumulator. Spowodowana tym przerwa może trwać typowo kilka milisekund. Zaletą UPS-a offline jest to, że gdy zasilanie z sieci jest, falownik nie pracuje, a więc nie pobiera energii.

ZASILACZE BUFOROWE

Zasilacze buforowe zyskują w ostatnich latach na znaczeniu, gdyż mamy coraz więcej urządzeń elektronicznych małej mocy, dla których wymagane jest zasilanie gwarantowane. Urządzenia automatyki budynkowej, układy komunikacyjne i telemetryczne, rozproszone systemy pomiarowe, elementy systemów alarmowych, monitoringu i kontroli dostępu, oświetlenie, komponenty infrastruktury telekomunikacyjnej to przykłady aplikacji, które wymagają obecnie zasilania bezprzerwowego ze specjalnego zasilacza wspomaganego akumulatorem. Cechą wspólną tych aplikacji jest to, że są zasilane niskim napięciem stałym, mają niewielki pobór mocy oraz to, że zwykle są one zainstalowane w miejscach, gdzie nie ma problemu z dostępnością. W takich przypadkach zasilacz buforowy sprawdza się doskonale i jest w stanie zapewnić podtrzymanie zasilania przez długi czas.

Popularności zasilaczy buforowych sprzyja ponadto to, że od strony technicznej są to urządzenia stosunkowo proste. Wiele takich urządzeń składa się z najprostszego zasilacza sieciowego, do którego dodany został akumulator na wejściu, a także układ ładowania. Przy obecności zasilania sieciowego jest on ładowany i utrzymywany w stanie gotowości, po zaniku energia zgromadzona w ogniwach kierowana jest na wyjście.

Główne kryteria selekcji ofert i dostawców

Zestawienie najważniejszych kryteriów selekcji ofert branych pod uwagę przez klientów rozważających kupno systemów zasilania gwarantowanego z pewnością nie jest zaskakujące, bo na czołowych miejscach znalazły się cena, parametry techniczne i jakość wykonania, a więc standardowy zestaw i na dodatek ułożony w typowej kolejności. Niemniej warto zauważyć, że dość wysoko wypadło znaczenie marki producenta, które na tym rynku jest utożsamiane z jakością. To samo można powiedzieć o terminie dostawy, który zdaniem co drugiego pytanego jest istotny. To zapewne dlatego, że duża część omawianych systemów jest tworzona jako projekt, a więc wchodzi w skład większej instalacji tworzonej dla konkretnego odbiorcy lub miejsca. Do takich celów jednostki kupuje się po wygraniu przetargu lub otrzymaniu zamówienia, gdy czas zaczyna szybko biegnąć i termin oddania staje się bardzo ważny. W efekcie na dostawę klienci nie mogą długo czekać.

Bardziej złożone jednostki opierają się na przetwornicy impulsowej o dużej sprawności, mają dodane obwody sygnalizacyjno-kontrolne i zabezpieczające. Czasem dostępny jest też interfejs komunikacyjny (np. USB) dający możliwość zarządzania taką jednostką. Dzięki niemu urządzenie zasilane może np. w kontrolowany sposób wyłączyć się na chwilę przed wyczerpaniem energii akumulatora.

Na rynku jest wiele dostępnych typów takich urządzeń także pod kątem wykonania mechanicznego. Obudowy zasilaczy buforowych przeznaczone są do montażu na szynie, w skrzynce instalacyjnej. Są też wersje całkowicie jej pozbawione. Zasilacze tego typu mają nierzadko wydzielone specjalne zatoki pozwalające na montaż 1-2 akumulatorów, przez co całość tworzy gotową jednostkę zasilającą skalowalną i z możliwością serwisowania podczas pracy. Liczba wariantów funkcjonujących na rynku jest spora, dzięki czemu bez problemu daje się dobrać najbardziej pasujące rozwiązanie do każdych zastosowań.

Typowy zasilacz buforowy ma jedno napięcie wyjściowe o wartości powiązanej z napięciem znamionowym akumulatora, a więc z reguły 12/24 V. Na dodatek nierzadko jest to napięcie niestabilizowane, bowiem akumulator dołącza się wprost do zacisków wyjściowych.

ZASILACZE BUFOROWE Z SUPERKONDENSATORAMI

Jak wspomniano, moc pobierana przez wiele układów elektronicznych z każdą kolejną generacją urządzeń jest coraz mniejsza. Nierzadko też wymagany czas podtrzymania zasilania nie musi być długi. W takich sytuacjach akumulatory w zasilaczu buforowym zastępuje się dzisiaj superkondensatorami. Konstrukcyjnie niewiele się zmienia, bo 10-12 superkondensatorów o pojemności mniej więcej 400 F zajmuje mniej więcej tyle miejsca co akumulator 12 V o pojemności 5 Ah.

Czas podtrzymania jest zwykle znacznie krótszy, ale tę niedogodność rekompensuje szeroki zakres temperatur pracy, niewielki ciężar, brak konieczności wymiany okresowej akumulatorów (pełna bezobsługowość). Oczywiście cena takich rozwiązań jest wyższa, zwłaszcza gdy czas podtrzymania ma być długi, ale w aspekcie długoterminowym inwestycja w takie rozwiązanie ma sens, tym bardziej że akumulator zdolny do pracy w szerokim zakresie temperatur też wcale nie jest tani. Reasumując, zasilacze z superkondensatorami to propozycja głównie do zastosowań w przemyśle i aplikacjach instalowanych na zewnątrz budynków.

UPS-Y O STAŁYM NAPIĘCIU WYJŚCIOWYM

Bardzo duża część urządzeń elektronicznych opiera się na dołączonym do sieci zasilaczu impulsowym, który stanowi źródło zasilania dla poszczególnych bloków i systemów. Klasyczne transformatory sieciowe w nowym sprzęcie elektronicznym to już rzadkość, bo są to elementy kosztowne, duże, ciężkie i niestety niepozwalające w wielu przypadkach osiągnąć wysokiej sprawności konwersji energii elektrycznej.

Typowy zasilacz impulsowy przetwarza wyprostowane i odfiltrowane napięcie sieci, a więc o wartości ok. 310 V dla sieci jednofazowej. Oznacza to, że w wielu przypadkach nie ma sensu przetwarzać napięcia stałego akumulatora na przemienne napięcie sieci 50 Hz po to, aby zaraz je wyprostować i odfiltrować. Ponieważ wiele sprzętu tego typu można po prostu zasilić napięciem stałym, oznacza to, że zasilacze buforowe o wysokim napięciu stałym mogą być interesującą alternatywą dla klasycznych UPS-ów.

Przegląd ofert dostawców systemów zasilania gwarantowanego

UPS-DC to obiegowa nazwa zasilacza buforowego dostarczającego stabilizowanego napięcia wyjściowego o mocy dochodzącej do ok. 500 W. Jednostki te mają znacznie rozbudowaną część odpowiadającą za współpracę z akumulatorem. Ich ładowarka pozwala na ładowanie szybkie ogniw i nierzadko obsługuje różne typy akumulatorów. Dodatkowo testowany jest stan baterii, także w zakresie dostępnej pojemności, gdyż wraz z kolejnymi cyklami ładowania i rozładowywania i latami pracy stale się zmienia.

W zasilaczach UPS-DC napięcie wyjściowe jest stabilizowane za pomocą wysoko sprawnej przetwornicy, co rozszerza obszar ich zastosowań. Mają one z reguły znacznie większą moc od opisanych wcześniej jednostek buforowych i pozwalają na współpracę z akumulatorami o znacznej pojemności. Pozwala to dobierać czas podtrzymania zasilania poprzez wybór odpowiedniego akumulatora.

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.

Główne bolączki rynku 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 biznesu.

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.

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.

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.).

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 też 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).

Czynniki pozytywnie wspierające rozwój rynku

Rozwojowi rynku w największym stopniu sprzyja coraz większe nasycenie współczesnego świata techniki urządzeniami elektronicznymi oraz to, że takie systemy pełnią coraz bardziej odpowiedzialne funkcje. Skoro wymagamy niezawodności, jakości i bezpieczeństwa działania, to musimy inwestować w zasilanie gwarantowane, bo inaczej nie da się zapewnić wymaganej funkcjonalności. Coraz większa świadomość dotyczy też bezpieczeństwa danych i konieczności ich ochrony. Rośnie także liczba osób rozumiejących, że nie tylko chodzi tu o ochronę przed zanikiem zasilania, ale też przed złą jakością parametrów energii elektrycznej, która daje nierzadko taki sam efekt jak zanik. Zapewne specjaliści będą tutaj oponować, że świadomość rynku jest cały czas niewystarczająca, że klientom brakuje wiedzy, ale w dłuższej perspektywie zmiany widać. Może tempo jest za małe, ale z punktu widzenia handlowców zawsze ono takie będzie.

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 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.

UPS-Y W ZASTOSOWANIACH PRZEMYSŁOWYCH

Zasilacze UPS przeznaczone do aplikacji przemysłowych i do zasilania obiektów z infrastrukturą IT z reguły są rozwiązaniami o dużej mocy sięgającej kilkaset kVA. Z uwagi na to system akumulatorowy będący magazynem energii jest w tym przypadku baterią ogniw o dużym napięciu znamionowym (100-220-540 V_DC), gdyż zmniejsza to straty powstające w falowniku podczas konwersji energii.

UPS-y przemysłowe mają falownik zaprojektowany do pracy z obciążeniem indukcyjnym (silniki) i takim, który w chwili rozruchu pobiera duży prąd. Jednostki te są w stanie zapewnić wysoką wartość prądu zwarciowego. Chodzi o to, aby UPS podłączony do instalacji w zakładzie był w stanie zapewnić warunki jej pracy zbliżone do tego, jakie są przy dostępności sieci, gdzie powstanie zwarcia musi doprowadzić do zadziałania bezpieczników z ustaloną selektywnością, a nie do zadziałania ograniczenia w falowniku.

Jednostki przemysłowe bazują na podwójnej konwersji energii elektrycznej (z napięcia przemiennego do stałego i znowu do przemiennego). Pozwala to na ich pracę z bardzo małym lub zerowym czasem przełączania (true-on-line), jak też na uzyskanie wysokiego współczynnika mocy.

Takie zasilacze mają często konstrukcję modułową zapewniającą skalowanie systemu zasilającego (rozbudowywanie w miarę zwiększających się potrzeb) i większą dostępność zasilania, a akumulatory są w takich rozwiązaniach umieszczane w osobnych obudowach, co ułatwia ich serwis. Bardzo często dostępna jest w tym przypadku opcja hot-swap umożliwiająca wymianę ogniw podczas pracy. Część UPS-ów pozwala także na pracę równoległą, co umożliwia uzyskanie redundancji zasilania lub zwiększenie mocy wyjściowej.

Cechą UPS-ów przemysłowych jest też rozbudowany system sterowania zapewniający wiele funkcji związanych z optymalizacją ładowania i zarządzania akumulatorami, nadzorem nad działaniem jednostki przez sieć, programowaniem czasów reakcji oraz zarządzaniem stopniowym uruchamianiem systemów zasilających w przypadku pracy równoległej wielu urządzeń. Standardem w nowoczesnych UPS-ach jest również możliwość komunikacji z wykorzystaniem sieci komputerowych lub sieci komórkowych i bieżącego, zdalnego monitorowania ich pracy.

Zmiany w technologii UPS-ów przemysłowych zmierzają w kierunku zwiększania ich sprawności, poprawy jakości napięcia wyjściowego (mały poziom harmonicznych, a więc czystość sinusoidy), współczynnika mocy wejściowej jak najbliższego 1. Innymi słowy, zasilacz taki to nie tylko awaryjne źródło energii, ale także sposób na zapewnienie jej wysokiej jakości, co w wielu przypadkach ma pierwszorzędne znaczenie.

Z takimi problemami boryka się głównie przemysł spożywczy i farmaceutyczny, dla których przerwanie procesu produkcyjnego to ogromny koszt. Stosowane może być wówczas zasilanie całej linii produkcyjnej łącznie z pompami i zaworami, ponieważ nawet krótkotrwałe zniekształcenie lub zanik napięcia może spowodować zatrzymanie przepływu substancji spożywczych lub farmaceutycznych.