ABB je jedným z popredných svetových výrobcov UPS systémov, ktoré sa využívajú v rôznych odvetviach priemyslu, od IT a telekomunikácií cez výrobné prevádzky až po energetiku. V tomto článku sa pozrieme bližšie na návrh, vlastnosti a výhody ABB UPS, ako aj na ich využitie v súčasnom technologickom prostredí. Identifikácia požiadaviek Prvým krokom pri voľbe UPS je určenie požiadaviek konkrétnej aplikácie a typ záťaže. Treba identifikovať sektor využitia UPS, v závislosti od ktorého možno identifikovať základné parametre pre návrh UPS.
Kľúčové požiadavky:
- Dátové centrá serverovne – maximalizovanie dostupnosti, minimalizovanie nestability siete, optimalizácia efektivity a minimalizovanie rozmerov. Pre dátové centrá sú typické kapacitné záťaže s účinníkom v rozmedzí 0,9 < 1,0.
- Zdravotníctvo – minimalizácia neplánovaných výpadkov, optimalizácia životnosti riešenia, nepretržitosť zálohovania a galvanické oddelenie siete. Typické v tomto sektore použitia sú vysoké špičkové prúdy (6 – 10 xIn) a kombinácia záťaže 1f a 3f.
- Priemysel – životnosť riešenia, prevádzka v sťažených podmienkach (teplota, vlhkosť, prašnosť), vzdialená správa a dlhá záloha zariadení. V odvetí priemyslu sa nachádzajú kombinácie záťaže 1f a 3f. Tieto záťaže sú často indukčné s účinníkom v rozmedzí 1,0 > 0,6. Pri návrhu treba zohľadniť zhoršenú kvalitu napájacej siete a riziko reverzných prúdov.
- Doprava, najmä dopravné tunely – odolnosť environmentálnym podmienkam, redundancia a signálny systém. Typické sú záťaže 3f, ku ktorým patrí systém núdzového osvetlenia, ventilácia, požiarny systém a bezpečnostný systém.
- Kancelárie a inteligentné systémy domácností. V tomto sektore dominujú záťaže 1f s kapacitným účinníkom. Najčastejším typom sú servery, počítače, inteligentná inštalácia.
Voľba výkonu UPS
Aby bol návrh výkonu UPS správny, treba poznať funkčnosť UPS:
- Online stav – UPS napája záťaž cez double-conversation invertor, ktorý je dimenzovaný na určitý nominálny výkon. Vo výnimočných situáciách je možné preťaženie invertora na krátku dobu na pokrytie nízkych výkonových špičiek záťaže. Maximálne preťaženie a dobu preťaženia invertora udáva výrobca UPS.
- Statický bajpas – v prípade poruchy za UPS, ak invertor UPS nie je schopný dodať dostatočný prúd na aktiváciu ochranného prvku. UPS prechádza do stavu obtoku invertora, v ktorom dokáže dodávať krátky čas až 10 xIn. Túto hodnotu prúdu udáva výrobca UPS.
- Stav zálohovania – pri výpadku napájania UPS bez prerušenia prepína na dodávku výkonu z batériového úložiska.
Výkon UPS sa navrhuje podľa typu a maximálneho výkonu záťaže. Základným pravidlom pri návrhu je uvažovať so zdanlivým výkonom S (kVA). Je vhodné rátať s rezervou výkonu UPS minimálne 10 % oproti maximálnemu výkonu záťaže, aby nedochádzalo k preťažovaniu UPS a následnému prepínaniu UPS na statický bajpas.
Určenie zálohy a kapacity batériového úložiska
Po zvolení vhodného typu UPS a jej výkonu nasleduje návrh optimálneho úložiska energie. ABB UPS dokážu pracovať so širokým spektrom batérií alebo špecifickým typom úložísk, akým sú napríklad zotrvačníky (flywheel). Najčastejšie sú to batérie typu VLRA, NiCd alebo Li-Ion. Pri návrh treba vždy určiť požadovaný čas zálohy, v prípade batérií požadovaný čas zálohy na začiatku (BOL) alebo konci ich životnosti (EOL).
Limitujúcim faktorom pri návrhu batériového úložiska je dodržanie minimálneho a maximálneho počtu batérií v batériovom stringu pripojenom k UPS. Do úvahy treba vziať, že UPS pracuje s určitým napäťovým rozmedzím pripojených batérií zapojených najčastejšie v sérii. Napätie, prípadne počet batérií určuje výrobca UPS a môže sa líšiť v závislosti od výrobcu a produktového radu UPS. Podmienkou pri návrhu je, aby zálohovaný výkon záťaže zodpovedal celkovému výkonu batériového úložiska. Dostupný výkon jedného batériového bloku možno vyčítať z tabuliek v technickom liste výrobcu batérií.
Podľa obr. 2 možno z jedného batériového bloku VLRA batérie (6 x 2 V článkov) odoberať počas 15 minút maximálny výkon 643 W k hĺbke vybitia batérie na napäťovú hladinu 10,2 V. Pri návrhu batériového úložiska je vhodné zohľadniť integrovaný nabíjač batérií v UPS. V prípade VLRA batérií by nabíjanie malo prebiehať približne 10 % prúdom z Ah kapacity batérie. Pri veľkej kapacite úložiska a neprimeranej integrovanej nabíjačke sa nabíjanie batérií môže predĺžiť na neprijateľný čas. Dôležité je tiež overiť kompatibilitu nabíjača s použitým typom batérií.
Návrh istenia UPS
Neodmysliteľnou súčasťou návrhu UPS je dimenzovanie istenia. Neželaným stavom je, že istiaci prvok nebude reagovať správne. To môže nastať pri nesprávne zvolenom istení (vstupnom/výstupnom). UPS sa v prípade poruchy, ktorú nemôže odstrániť, prepne do režimu bajpas. Nezálohovaný stav môže mať vplyv na citlivé záťaže napájané z UPS. Najvhodnejším riešením je zvoliť istenie odporúčané výrobcom UPS. Pre ABB UPS je pomôckou v takýchto prípadoch Site Planning Tool dostupný zo stránok ABB Library. Ak nie je odporúčané vstupné istenie známe, možno ho navrhnúť podľa maximálneho výkonu UPS v preťažení a parametra CF (crest factor – faktor výkyvu vlny). Hodnota CF sa najčastejšie pohybuje v rozmedzí 2,5 až 3. Parameter definuje stabilitu striedača pri krátkodobom preťažení. UPS dokáže počas 100 ms dodávať zo svojho meniča prúd Iporch = CF*In. Porovnaním tohto prúdu s charakteristikou ističa možno určiť optimálne istenie, ktoré UPS dokáže vypnúť bez potreby prepnutia do stavu bajpas.
Vhodné je zvoliť istenie s dostatočnou obmedzovacou charakteristikou. Väčšina UPS je dimenzovaná na maximálnu skratovú odolnosť 10 kA.
Vzorový výpočet UPS
Na vzorový výpočet použijeme prípad zálohy dvoch záťaži počas 15 minút BOL. Sektor využitia UPS bude priemysel, typ úložiska bezúdržbové batérie VLRA.
Záťaž 1: 3f;
Záťaž 2: 1f;
Celková účinnosť UPS:
Výkon záťaže 3f:
Výkon záťaže 1f:
Celkový výkon záťaží:
Výkon UPS:
Kalkulácia celkového zálohovaného činného výkonu:
Kalkulácia výkonu batériového úložiska:
Kalkulácia počtu potrebných blokov:
Návrh výstupného istenia:
Návrh istenia charakteristiky C:
