Raport: Prawidłowa praca maszyn – Zasilacze i systemy bezpieczeństwa gwarantowanego

Zakłócenia w pracy maszyn i urządzeń spowodowane przerwami w zasilaniu lub niedostateczną jakością energii są zawsze zjawiskiem niepożądanym, grożącym bardzo poważnymi konsekwencjami. W celu zapewnienia prawidłowego funkcjonowania zakładowego sprzętu niezbędne jest zadbanie o ciągły dostęp do energii elektrycznej o odpowiednich parametrach. Zadanie to spoczywa na zasilaczach oraz systemach zasilania gwarantowanego.
Zasilanie urządzeń i maszyn w energię elektryczną stanowi kluczowe zagadnienie dotyczące ich eksploatacji. Szczególnie istotne jest w przemyśle, energetyce i wielu innych branżach, w przypadku których zaniedbanie tej kwestii może skutkować przerwaniem procesu technologicznego, stratą surowca, uszkodzeniem urządzeń, dodatkowymi kosztami związanymi z ich ponownym uruchomieniem, a nawet zagrożeniem życia i zdrowia.

Użytkownicy stawiają na jakość
Jak widać na rysunku 1, zdaniem ankietowanych użytkowników najważniejszym kryterium branym pod uwagę przy zakupie zasilaczy i systemów zasilania jest przede wszystkim jakość (87% wskazań). Oprócz tego liczą się również: cena (61%), marka producenta (39%) oraz parametry techniczne (26%), takie jak np.: przeciążalność, długość podtrzymania, zakres napięcia wyjściowego, odpowiednie zabezpieczenia (np. przed zwarciem), stabilność sygnału wyjściowego, moc, a także sprawność, która postrzegana jest przez wielu jako wyznacznik niezawodności i klasy zasilacza.
To właśnie wysoka sprawność i niskie rozpraszanie mocy stanowią klucz do wysokiej wydajności oraz niezawodności, które to cechy są niezbędne w coraz bardziej wymagających aplikacjach przemysłowych. Sprawność jest również czynnikiem mającym istotny wpływ na gabaryty zasilacza. Nie należy zapominać o tym, że w każdym urządzeniu występują straty mocy na ciepło, a im więcej jest strat, tym mniejsza sprawność urządzenia. Zatem zasilacz o małej sprawności ze względu na wzrost temperatury elementów wewnątrz urządzenia musi mieć większą obudowę. Minimalizacja strat na ciepło pozwala na użycie obudów o mniejszej objętości i gabarytach, co wpisuje się w ogólną tendencję do minimalizacji produkowanych urządzeń.

Warto dodać, że dla ok. 20% sondowanych użytkowników istotnymi cechami wpływającymi na zakup zasilaczy i systemów zasilania są także dostępność oraz długotrwała współpraca z dostawcą. Z kolei jeśli chodzi o wsparcie techniczne, jest ono ważnym kryterium wyboru jedynie dla 4% użytkowników.
Z praktyki dostawców wynika, że przy zakupie zasilaczy i systemów zasilania większość klientów zwraca uwagę głównie na cenę (100% wskazań). W ich opinii pozostaje ona nadal jedynym kryterium dla sporej grupy klientów, zwłaszcza tych mających stosunkowo małą wiedzę o zasilaniu. Dostawcy urządzeń zasilających podkreślają jednak, że cena nie powinna być najważniejszym czynnikiem przesądzającym o wyborze produktu. Decydując się na konkretne rozwiązanie, warto zwrócić uwagę na urządzenia renomowanych firm, które są wprawdzie droższe, lecz niezawodne w działaniu. W tym wypadku cena idzie w parze z jakością, która to cecha została uznana za istotną przez 40% dostawców.
Warto wspomnieć również o jeszcze jednym ważnym kryterium, wskazanym przez ankietowanych, jakim jest dostępność (60% wskazań). Dostawcy zdają sobie sprawę z tego, że długi czas oczekiwania może skutecznie zniechęcić klienta do zakupu urządzenia zasilającego.
Potencjalni nabywcy zasilaczy zwracają także uwagę na takie cechy, jak: możliwość zdalnego zarządzania i monitorowania, funkcjonalność rozwiązań, możliwość rozbudowy zasilacza UPS (np. poprzez dołożenie baterii), a także opcja współpracy z systemami operacyjnymi IT. Nie bez znaczenia są również warunki serwisowania urządzeń.
Istotnym kryterium wyboru konkretnego rozwiązania jest też energooszczędność. W obliczu wciąż rosnących cen energii czynnik ten jest brany pod uwagę przez coraz szersze grono użytkowników.
Kim są główni odbiorcy?
Jak wynika z przeprowadzonej ankiety redakcyjnej, sondowani użytkownicy uważają, że nadrzędnymi obszarami zastosowań zasilaczy są przemysł (100%) oraz IT i telekomunikacja (50%). Co czwarta osoba sądzi, że rozwiązania te wykorzystywane są głównie w przypadku energetyki i zastosowań konsumenckich, a co piąty respondent twierdzi, że ich głównymi odbiorcami są laboratoria i szeroko pojęta medycyna. Ok. 10% użytkowników wskazało na zastosowania wojskowe i specjalne oraz pojazdy i transport.
Również zdaniem wszystkich dostawców głównym obszarem zastosowań zasilaczy jest przemysł. Tuż po nim znalazły się: energetyka (40%), a także IT i telekomunikacja, medycyna, laboratoria oraz pojazdy i transport (po 20% wskazań).
Jeśli chodzi o UPS-y, zdaniem użytkowników głównym obszarem ich zastosowań jest IT i telekomunikacja (ok. 80% wskazań). Natomiast w opinii dostawców UPS-y używane są głównie w przemyśle i energetyce.
Warto wspomnieć również o akumulatorach, które znajdują zastosowanie przede wszystkim w przemyśle (ok. 80% wskazań użytkowników i dostawców). Dla około 70% użytkowników istotnym odbiorcą akumulatorów jest też branża IT i telekomunikacja.
Zasilacze małogabarytowe
Oferta rynkowa zasilaczy małogabarytowych, czyli małej mocy, obejmuje szeroką gamę zasilaczy przeznaczonych do różnego rodzaju zastosowań. Wśród nich znajdują się m.in.: zasilacze na szynę DIN, moduły redundantne, zasilacze modułowe czy zasilacze bez obudowy i do wlutowania.
Jak wynika z przeprowadzonego badania, w odniesieniu do zasilaczy małogabarytowych większość osób korzysta z modeli AC/DC do montażu na szynie (90%). Z kolei zasilacze AC/DC modułowe używane są tylko przez 10% respondentów.
Zdaniem sondowanych dostawców największą popularnością cieszą się obecnie zasilacze AC/DC do montażu na szynie (50% wskazań) oraz przetwornice DC/DC (50%).
Warto dodać, że zabudowa na szynie DIN, powszechnie stosowana w przemyśle i automatyce przemysłowej, wymusza na producentach zasilaczy tworzenie produktów o jak najmniejszej szerokości, zajmujących mało miejsca na szynie. Dzięki temu da się na niej umieścić więcej komponentów, co wiąże się z korzyściami ekonomicznymi.
Również wiele zalet mają wspomniane zasilacze modułowe. Budowa modułowa pozwala na zwiększenie mocy lub czasu podtrzymania zasilania, co dla sporej grupy użytkowników ma ogromne znaczenie. Tego typu rozwiązanie umożliwia rozbudowę zasilacza przez dołączanie kolejnych modułów o określonej mocy do wcześniej zainstalowanej konstrukcji nośnej. Czasem rozbudowę da się przeprowadzić bez wyłączania zasilania systemu. W niektórych rozwiązaniach zasilaczy modułowych możliwa jest również dowolna konfiguracja wejścia i wyjścia, w zależności od aktualnych wymagań środowiskowych i potrzeb użytkownika.
Jeśli chodzi o zasilacze małogabarytowe, są to obecnie w większości zasilacze impulsowe, które praktycznie wyparły z rynku tradycyjne modele liniowe. Doskonale nadają się do zasilania urządzeń małej i średniej mocy. Poza niedużymi rozmiarami oraz niewielką masą ich największymi zaletami są: bardzo wysoka sprawność energetyczna (zwykle powyżej 80%), zabezpieczenia przed zwarciem wbudowane w układy kontrolne zasilacza, odporność na zakłócenia z sieci oraz na krótkie zaniki napięcia, korzystna cena, możliwość zasilania napięciem stałym lub zmiennym – i to w szerokim zakresie napięć (np. 90260 V AC lub 110400 V DC). Do wad zasilaczy impulsowych można zaliczyć: dosyć wysoki stopień skomplikowania konstrukcji, a także zwiększony poziom zarówno szumów i tętnień napięcia wyjściowego, jak i zakłóceń elektromagnetycznych generowanych do sieci zasilającej oraz do otoczenia.
<—newpage—>Systemy zasilania gwarantowanego

Nawet chwilowe przerwy w zasilaniu mogą doprowadzić do zakłóceń, a w konsekwencji również do awarii urządzeń. Pewność zasilania jest więc warunkiem koniecznym dla wszystkich użytkowników urządzeń i systemów komputerowych, transmisji danych, łączności, a także innych odbiorników wrażliwych na tego rodzaju zakłócenia. W związku z tym w celach prewencyjnych instalowane są systemy zasilania gwarantowanego, których zadaniem jest zapewnienie ciągłości pracy urządzeń w przypadku pojawienia się jakichkolwiek zakłóceń w zasilaniu z sieci energetycznej. Mając świadomość konsekwencji z tego wynikających, użytkownicy chętnie sięgają po takie rozwiązania, jak np. UPS-y, akumulatory przemysłowe czy agregaty prądotwórcze.
Ostatnie z wymienionych produktów składają się z prądnicy synchronicznej, silnika spalinowego, rozdzielnicy elektrycznej oraz urządzeń kontrolno-pomiarowych i pomocniczych. Stanowią one samodzielne, niezależne źródło prądu. Agregaty prądotwórcze to niewątpliwie bardzo zaawansowane technologicznie urządzenia, stosowane w wyjątkowo wymagających aplikacjach. Obecne na naszym rynku firmy oferują zarówno agregatybędące rezerwowym źródłem zasilania małej mocy, jak również bardzo rozbudowane systemy dużych mocy, w skład których wchodzi kilka równolegle pracujących jednostek.
W zależności od pojemności baterii i mocy odbiorów UPS-y (Uninterruptible Power Supply) są w stanie podtrzymać napięcie w systemie zasilania nawet do kilkudziesięciu godzin. W momencie wystąpienia zakłóceń parametrów sieci elektroenergetycznej lub całkowitego zaniku napięcia zasilającego następuje pobór energii z baterii akumulatorów. Stosowanie UPS-ów pozwala skutecznie zminimalizować ryzykozwiązane z utratą danych znajdujących się w pamięci operacyjnej komputerów. Obecnie trudno wskazać jakąś gałąź przemysłu, która mogłaby obejść się bez zasilaczy awaryjnych. Bezprzerwowego zasilania wymagają nie tylko linie produkcyjne, ale także aparatura medyczna, systemy fiskalne w małych i dużych sklepach oraz automatyka w szerokim tego słowa znaczeniu. Ciągłość zasilania to niezwykle istotna kwestia, gwarantująca bezpieczeństwo ludziom, mieniu oraz danym.
Wiele firm oferuje UPS-y z wyposażeniem opcjonalnym, co sprawia, że klient może wybrać adekwatne do swoich potrzeb rozwiązanie – zarówno dla zasilania pojedynczego komputera, jak też dla bardziej rozbudowanych i złożonych systemów sieciowych czy serwerowni. Warto podkreślić, że większość nowoczesnych UPS-ów umożliwia tzw. zimny start, czyli wymuszenie pracy akumulatorowej bez podłączania UPS-a do sieci zasilającej.
Oprócz statycznych zasilaczy bezprzerwowych typu UPS na rynku dostępne są również statyczne zasilacze bezprzerwowe typu FUPS (Flywheel Uninterruptible Power Supply), a także dynamiczne zasilacze bezprzerwowe typu RUPS (Rotary Uninterruptible Power Supply).
Z transformatorem lub bez
Rozwój technologiczny UPS-ów zmierza bezustannie w kierunku zwiększania ich sprawności, obniżania zniekształceń napięcia wyjściowego oraz zmniejszania zawartości harmonicznych w prądzie wejściowym zasilacza. W tym celu w stopniach mocy prostowników i falowników nowoczesnych elektronicznych zasilaczy UPS stosuje się powszechnie tranzystory IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor – bipolarne z izolowaną bramką), wykorzystując do ich sterowania procesory sygnałowe o dużej wydajności przetwarzania danych w czasie rzeczywistym. Zasilacze UPS, również te o mocy przekraczającej 100 kVA, są obecnie najczęściej urządzeniami beztransformatorowymi, w przypadku których konstrukcja prostownika i falownika opiera się na wykorzystaniu wspomnianych tranzystorów IGBT, kluczowanych wysoką częstotliwością. Tego rodzaju konstrukcje występują nie tylko w zasilaczach kompaktowych, ale również w rozwiązaniach modułowych, znajdując zastosowanie m.in. w układach automatyki i sterowania, serwerowniach czy centrach przetwarzania danych.
Rozwiązania UPS wykonane w technologii beztransformatorowej cenione są za takie cechy, jak: wysoka sprawność (>95%), niewielkie gabaryty i mała waga, bardzo dobre parametry jakości napięcia zasilającego, zwiększona niezawodność i żywotność czy mniejsze koszty eksploatacyjne, wynikające z większej sprawności przetwarzania.
Mimo szerokiej gamy zasilaczy beztransformatorowych znajdujących się w ofercie rynkowej istnieje pewna grupa odbiorców preferujących rozwiązania o konstrukcji transformatorowej. Tego typu zasilacze sprawdzają się w ciężkich warunkach pracy, a zwłaszcza w środowisku przemysłowym i produkcyjnym. Transformatorowe zasilacze przemysłowe, cechujące się prostą konstrukcją, odporną na częste przeciążenia odbiornikami o ciężkich rozruchach zasilanych napędów, umożliwiają pełną separację galwaniczną odbiorników od sieci zasilającej oraz od napięcia stałego baterii akumulatorów. Zwolennicy tego rozwiązania zwracają uwagę również na inną ich zaletę, jaką jest wysoka odporność zwarciowa. Wykorzystanie transformatora umożliwia ograniczenie prądu zwarcia, a także pełni funkcję filtra indukcyjnego na wyjściu układu falownika.
Mówiąc o trendach rozwojowych w obszarze UPS-ów, warto wspomnieć, że w systemach zasilania bezprzerwowego o mocach na poziomie MVA chętnie korzysta się z zasilaczy pojedynczych o mocach setek kVA, które łączy się równolegle w bloki o wymaganej mocy. Trend ten przenosi się na zasilaczeo mocach ok. 5 kVA ÷ 40 kVA. Dzięki temu można zredukować jednorazowe koszty i rozłożyć inwestycję w czasie, dołączając w miarę potrzeb kolejne zasilacze. Takie podejście, praktykowane przez wielu użytkowników, powoduje, że producenci UPS-ów, chcąc sprostać oczekiwaniom klientów, zmuszeni są do dostarczania na rynek zasilaczy online o stosunkowo małych mocach, przystosowanych do pracy równoległej.
W zależności od topologii
Z odpowiedzi ankietowanych użytkowników wynika, że najchętniej używane są zasilacze działające w topologiach: line-interactive (36%), a także offline online (po 32% wskazań).
Natomiast zdaniem dostawców preferencje wśród klientów wyglądają odwrotnie: offline online (po 40%) oraz line-interactive (20%).
Podczas pracy z poprawnie funkcjonującą siecią zasilającą modele wykonane w topologii offline zasilają chronione urządzenia bezpośrednio z sieci, jednocześnie mierząc parametry zasilania i ładując wewnętrzne akumulatory. Podczas zaniku, nadmiernego obniżenia czy wzrostu napięcia w sieci zasilającej zasilacz przechodzi na pracę awaryjną. Uruchamia wtedy swój wewnętrzny falownik (zasilany akumulatorami), generując na wyjściu napięcie przemienne 230 V i jednocześnie odłączając się od wadliwej sieci zasilającej.
Z kolei w nieco bardziej zaawansowanych zasilaczach line-interactive transformator główny pełni podwójną rolę. W trakcie pracy z poprawną siecią zasilającą działa w układzie prostownika ładującego akumulatory (opcjonalnie również stabilizatora napięcia wyjściowego AVR), a podczas awarii zasilania pracuje w układzie falownika. Zasilacze te stosuje się m.in. do ochrony sprzętu IT w małych i średnich szafach serwerowych.
Jednak najbardziej zaawansowane są zasilacze awaryjne online, które gwarantują całkowitą separację zasilanych urządzeń od sieci zasilającej. Następuje ona w wyniku podwójnego przetwarzania. Zmienne napięcie sieciowe 230 V jest przetwarzane na napięcie stałe, z którego jednocześnie ładowane są akumulatory, a następnie ponownie wytwarzane jest napięcie zmienne na wyjściu zasilacza o kontrolowanych parametrach. Co ważne, zmiany napięcia wejściowego nie mają bezpośredniego wpływu na napięcie wyjściowe.
Odmianą zasilaczy UPS, w szczególności online, są zasilacze redundantne. Uogólniając, chodzi o zasilacze zwielokrotnione, w których jedna gałąź lub więcej są nadmiarowe. Przy wykorzystaniu ich nadmiarowości – tj. obciążaniu wyjścia np. 2/3 mocy – znacznie zwiększa się niezawodność systemu zasilania, gdyż uszkodzenie jednej gałęzi nie powoduje przerwy w zasilaniu.
Konkurencja nie śpi
Na polskim rynku działa obecnie wiele firm mających w ofercie urządzenia zasilające. Są to zarówno producenci krajowi, jak i dostawcy będący przedstawicielami firm zagranicznych.
Konkurencja w przypadku rynku zasilaczy została oceniona na bardzo dużą (80%) lub dużą (20%). Zdaniem większości uczestników badania bardzo duża konkurencja panuje również na rynku UPS-ów (60% wskazań).
Jednak mimo to obecna sytuacja sprzyja dostawcom tychże rozwiązań. Jak widać na rysunku 3, w opinii ankietowanych bieżąca koniunktura na zasilacze jest dobra (60%) lub nawet bardzo dobra (40%). Ponadto, zdaniem respondentów, obecnie mamy do czynienia z dobrą koniunkturą zarówno na UPS-y (100% wskazań), jak i akumulatory (75%).
Według przewidywań wszystkich sondowanych dostawców w ciągu najbliższych 23 lat zwiększy się sprzedaż omawianych urządzeń zasilających. Czynnikami wpływającymi na tę sytuację są m.in.: automatyzacja przemysłu, zmiana przepisów dotyczących efektywności energetycznej, wzrost liczby urządzeń wymagających zasilania o najwyższej jakości, przywiązywanie coraz większej wagi do kwestii bezpieczeństwa systemów sterowania i transmisji danych, a także wzrost świadomości użytkowników dotyczącej strat wynikających z nagłej utraty zasilania.
Jeśli chodzi o plany ankietowanych użytkowników, okazuje się, że co trzeci respondent planuje w ciągu najbliższych 23 lat zwiększyć wydatki na zakup zasilaczy/systemów zasilania. Ma to związek m.in. z nowymi systemami wymagającymi zabezpieczeń przed zanikiem napięcia podczas ciężkich rozruchów, coraz większą liczbą urządzeń, starzeniem się sprzętu oraz modernizacją starych systemów sterowania. Zgodnie z deklaracjami pozostałych respondentów wydatki na ten cel pozostaną takie same (60%) bądź się zmniejszą (ok. 10%).
Raport powstał w oparciu o dane uzyskane z ankiety przeprowadzonej wśród Czytelników magazynu Control Engineering Polska. Przy jego tworzeniu bazowano też na informacjach pochodzących od dostawców urządzeń zasilających. Artykuł nie odzwierciedla pełnego obrazu rynku.
Autorka: Agata Abramczyk jest dziennikarką, publicystką, autorką tekstów, pasjonatką nowoczesnych technologii, od wielu lat związaną z branżą dziennikarską i wydawniczą.
Tekst pochodzi z nr 4/2017 magazynu "Control Engineering". Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.