RAPORT: Systemy UPS w przemyśle

Urządzenie zasilania gwarantowanego, zasilacz awaryjny, bezprzerwowy UPS (Uninterruptible Power Supply) – to trzy nazwy tego samego urządzenia. UPS jest wyposażony w akumulator o określonej pojemności, dzięki czemu może dostarczać do zakładu energię elektryczną przez kilkadziesiąt minut lub nawet kilka godzin. To ratunek w sytuacji nieprawidłowości lub przerwy w zasilaniu sieciowym. 

W dobie zastosowań coraz bardziej zaawansowanych procesów technologicznych powstaje zapotrzebowanie na wysoką jakość i niezawodność zasilania elektrycznego. Pewność i jakość dostarczanej do odbiorników energii można zwiększyć za pomocą różnych środków technicznych. Jednym ze sposobów poprawy jakości i pewności zasilania elektrycznego jest wykorzystanie systemów zasilania gwarantowanego z podwójnym przetwarzaniem energii (UPS-y wykonane w topologii on-line). W przypadku zaniku lub nieprawidłowości napięcia sieciowego UPS umożliwia dostarczenie energii do odbiorników (przy wykorzystaniu energii zgromadzonej w akumulatorach) w określonym czasie, niezbędnym do bezpiecznego i kontrolowanego zakończenia realizowanych procesów, a często poprawia dodatkowo jakości napięcia dostarczanego do zasilanych urządzeń.  Zasilacze UPS przeznaczone do zastosowań przemysłowych zasilają różnego rodzaj odbiorniki. UPS-y stosowane są zarówno do podtrzymania zasilania pojedynczych elementów wykonawczych i urządzeń kontrolno-pomiarowych, jak i całych stanowisk roboczych (takich jak np. obrabiarki CNC), jak również automatyki przemysłowej stosowanej na liniach produkcyjnych. 

Czym jest UPS

UPS przemysłowy to taki rodzaj zasilania awaryjnego, który ma działać w trudnych warunkach środowiskowych (w przemyśle) i jest stworzony specjalnie do tego celu. To urządzenie bądź cały system, który spełnia konkretne, bardzo wyśrubowane wymagania związane z parametrami, czasem eksploatacji czy środowiskiem pracy. 

Zasilacze UPS składają się przede wszystkim z systemu magazynowania energii, który stanowi podstawę ich wstępnej klasyfikacji  oraz układu przekształcania tej energii w napięcie zasilające. Energia jest magazynowana w postaci elektrochemicznej w specjalnych bateriach lub w formie kinetycznej z wykorzystaniem kół zamachowych, a w celu jej przekształcenia stosowane są statyczne elektroniczne konwertery. W dynamicznych zasilaczach UPS energia jest magazynowana wyłącznie w formie kinetycznej, a do jej konwersji służą prądnice wirnikowe. UPS zapewnia stabilne napięcie na wyjściu, niemal całkowicie odporne na zakłócenia i zaniki napięcia wejściowego. Aby spełnić warunek bezprzerwowego zasilania, przetwornica współpracuje z baterią, z której czerpie prąd. Głównymi parametrami każdego UPS-a jest moc oraz czas podtrzymywania awaryjnego, który zależy od pojemności energetycznej baterii akumulatorów. – Każdy UPS produkowany przez Medcom jest zawsze indywidualnie konfigurowany, zgodnie z wymaganiami klienta – podkreśla Grzegorz Grzegrzółka, dyrektor ds. energetyki. – Nie dostarczamy gotowych UPS-ów ogólnego zastosowania. W odróżnieniu od UPS-a komercyjnego, UPS przemysłowy tworzony jest w odpowiedzi na konkretne potrzeby danej aplikacji, a nie w ramach seryjnej produkcji. – UPS przemysłowy, przed wdrożeniem, musi także przejść restrykcyjne procedury testowe, które potwierdzą jego niezawodność – podkreśla Przemysław Szczęśniak, Inżynier Sprzedaży w dziale Secure Power Schneider Electric.

Dyrektywy i normy

Budowę i użytkowanie zasilaczy UPC reguluje szereg dyrektyw:

• Dyrektywa niskonapięciowa 2006/95/WE.
• Dyrektywa dotycząca kompatybilności elektromagnetycznej 2004/108/WE.

Obowiązują następujące normy, dotyczące bezpieczeństwa:

• EN 62040-1-1 Systemy bezprzerwowego zasilania (UPS), część 1-1: Wymagania ogólne i wymagania dotyczące bezpieczeństwa zasilaczy UPS zainstalowanych w obszarach dostępnych dla operatorów.
• EN 62040-1-2 Systemy bezprzerwowego zasilania (UPS), część 1-2: Wymagania ogólne i wymagania dotyczące bezpieczeństwa zasilaczy UPS stosowanych w miejscach o ograniczonym dostępie.

Dalej, norma dotycząca kompatybilności elektromagnetycznej:

  • EN 62040-2 Systemy bezprzerwowego zasilania (UPS), część 2: Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) – wymagania,

Oraz norma określająca sprawność:

  • EN 62040-3 Systemy bezprzerwowego zasilania (UPS). Metody określania właściwości i wymagania dotyczące badań.

Poza tym, normy ogólne, takie jak:

• IEC 60364-X-X Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych;
• IEC 60439-1 Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe;
• IEC 60529 Stopnie ochrony zapewnianej przez obudowy (kod IP);
• EN 50272-2 Wymagania dotyczące bezpieczeństwa baterii wtórnych i instalacji baterii – Część 2: Baterie stacjonarne

Rodzaje UPS-ów

Na rynku dostępne są UPSy jednofazowe, trójfazowe, monoblokowe, modułowe, transformatorowe. – Znaczna większość wykonana jest w technologii VFI (podwójnej konwersji online), co oznacza, że energia pobierana z sieci jest poddawana podwójnemu przetwarzaniu, dzięki czemu na wyjściu UPS dostarcza zasilanie o idealnych parametrach – tłumaczy Aleksandra Warchoł-Borzęcka, inżynier technicznego wsparcia sprzedaży w Socomec Polska Sp. z o.o. Mniejsze jednostki są dostępne w technologii VFD „offline” oraz VI „line interactive”. Do zasilaczy UPS możemy stosować baterie wewnętrzne, zewnętrzne w szafach bateryjnych oraz umieszczone na stelażach bateryjnych w przypadku bardzo długich czasów podtrzymania. 

– Zasilacze UPS możemy podzielić również ze względu na topologię ich wykonania (offline, line-interactive, on-line) jak również ze względu na ich konstrukcję (zasilacze modułowe lub o budowie klasycznej – monoblok) – dodaje Michał Przybylski, inżynier wsparcia technicznego Ever Sp. z o.o. Co do konstrukcji zasilacza, zarówno budowa modułowa, jak i monoblokowa w 100% sprawdzą się w przemyśle. Natomiast jeśli chodzi o rozwiązania stricte przemysłowe w grę wchodzą głównie zasilacze wykonane w topologii on-line. Jednym z podstawowych zadań zasilaczy UPS on-line obok zapewnienia ciągłości zasilania jest poprawa jakości napięcia dostarczanego do odbiorników. Napięcie sieciowe doprowadzone na wejście UPS zostaje wyprostowane w układzie prostowniczym, a następnie poprzez magistralę stałonapięciową przekazane do falownika, gdzie przetwarzane jest na napięcie przemienne o wysokiej jakości parametrach, którym podczas normalnej pracy zasilane są zabezpieczane odbiorniki, jednocześnie doładowywane są baterie. Zmiana trybu pracy z sieciowego na bateryjny i odwrotnie odbywa się całkowicie bezprzerwowo. W przypadku przeciążenia lub uszkodzenia elementów wewnętrznych bloków UPS-a statyczny bypass automatycznie łączy odbiornik z siecią zasilającą poprzez układ obejściowy. Zasilacze tego typu stosowane są do zasilania najbardziej wymagających pod względem jakości energii odbiorników. Michał Przybylski wymienia przykładowo UPS Ever Powerline Green 33 LITE oraz UPS Ever Powerline Green 33 PRO. Ważne jest również to, że napięcie dostarczane w czasie normalnej pracy (sieciowej) przez UPS (on-line) do odbiorników jest o lepszej jakości niż z sieci zasilającej, a zatem systemy zasilania gwarantowanego poprawiają warunki pracy zasilanych urządzeń, a dodatkowo ograniczają ich negatywne oddziaływanie na sieć zasilającą.

Poza wspomnianym wcześniej rozróżnieniem na UPSy przemysłowe i komercyjne, możemy zastosować też inny podział (z punktu widzenia przemysłu). – W przemyśle lekkim, obejmującym linie produkcyjne czy roboty, bardzo dobrze sprawdzają się produkowane seryjnie rozwiązania z serii Galaxy – mówi Przemysław Szczęśniak. – UPS-y te są odporne na wysokie temperatury, a przy tym wyposażone są w filtry przeciwpyłowe. W pewnym zakresie mogą być również poddawane modyfikacjom, w zależności od potrzeb klienta. W przemyśle ciężkim, na przykład w hutnictwie, sprawdza się seria Gutor PXC, zaś w górnictwie, rafineriach czy energetyce jądrowej – Gutor PWX i PXP. Są to w pełni dedykowane, absolutnie bezpieczne, twarde rozwiązania tworzone na specjalne zamówienie klientów.

Znaczenie UPS w przemyśle

Stosowanie urządzeń zasilania awaryjnego jest niezwykle istotne z punktu widzenia ciągłości działania aplikacji przemysłowych, które są bardzo wrażliwe na zaniki napięcia. – UPS jest ważny w każdym środowisku z odbiorami o charakterze krytycznym – podkreśla Aleksandra Warchoł-Borzęcka. – W przemyśle zasilacz UPS musi chronić maszyny przed awarią sieci, niestabilnymi parametrami zasilającymi wynikającymi między innymi z przeciążeń sieci lub wyładowań atmosferycznych. Brak odpowiedniego zasilania w obiektach przemysłowych może powodować uszkodzenie urządzeń wykonawczych oraz przestoje w produkcji, a tym samym ogromne straty finansowe dla przedsiębiorcy. Ponowne uruchomienie i przywrócenie linii produkcyjnej do normalnego trybu pracy po zaniku zasilania generuje znacznie większe koszty niż inwestycja w zasilacz UPS stąd zwiększone zainteresowanie przedsiębiorców tego typu zasilaczami. Wznowienie przerwanego procesu produkcyjnego, nawet po krótkotrwałym zaniku napięcia lub innym zdarzeniu, może trwać wiele godzin, a w niektórych gałęziach przemysłu może nawet wywołać problemy związane z bezpieczeństwem. – UPS jest tak ważny, jak ważna jest poprawna praca odbiorników energii elektrycznej – przekonuje Przemysław Szczęśniak. – Jeśli możemy sobie pozwolić na to, aby dane urządzenie mogło chwilowo przestać pracować, możemy założyć, że UPS nie jest potrzebny. Jeśli jednak dany proces jest krytyczny i musi być utrzymany, to funkcjonowanie UPSa w systemie zasilania ma kluczowe znaczenie. Kiedy głównym faktorem jest bezpieczeństwo, a tak dzieje się w przypadku wspomnianych już kopalń czy wreszcie elektrowni jądrowych – niezawodność staje się dużo ważniejsza niż nawet najwyższe parametry sprawności urządzenia. 

Grzegorz Grzegrzółka, dyrektor ds. energetyki w Medcom Sp. z o.o.

Kolejny argument. UPS daje gwarancje trwania lub bezpiecznego zakończenia określonego procesu technologicznego, mimo problemów z zasilaniem z sieci. W przemyśle krótkotrwałe skoki napięcia nie należą do rzadkości, a mogą powodować poważne szkody, które są trudne do usunięcia, ale też bardzo kosztowne. – Nawet kilkusekundowa awaria może skutkować większymi wydatkami niż inwestycja w kompletny system UPS – ocenia Grzegorz Grzegrzółka. – Ma to oczywiście znaczenie w każdym sektorze, ale w szczególności w przemyśle chemicznym, elektrowniach czy zakładach energetycznych, w przypadku których UPS pomaga uniknąć poważniejszych awarii, a jednocześnie podnosi bezpieczeństwo pracowników. 

UPS-y (w topologii on-line) zapewniają skuteczną ochronę przed najczęściej spotykanymi zaburzeniami występującymi w sieci elektroenergetycznej. Zaliczyć możemy do nich: zaniki napięcia (krótkotrwałe bądź długotrwałe), wahania wartości napięcia (wzrosty lub zapady napięcia), przepięcia (krótkotrwałe impulsy wysokonapięciowe), wahania częstotliwości napięcia oraz odkształcenia przebiegu napięcia (wyższe harmoniczne). Wraz z rozwojem osprzętu elektrycznego, elektronicznego i informatycznego wzrasta niebezpieczeństwo powstawania i oddziaływania zaburzeń. – Typ oraz charakter powstających i oddziałujących zaburzeń zależy od wykorzystywanych urządzeń – wyjaśnia Michał Przybylski. Układy, w których zachodzą częste stany łączeniowe elementów biernych (cewek i kondensatorów) mogą mieć tendencje do generowania przepięć (powstających w stanach przejściowych) szczególnie groźnych dla pracy podzespołów elektronicznych (półprzewodnikowych). Oddziaływania te skutkują niejednokrotnie uszkodzeniem podzespołów, powstawaniem nadmiernych strat mocy, przegrzewaniem się osprzętu, wystąpieniami awarii urządzeń lub całych systemów. – Zastosowanie jednostki UPS ogranicza ryzyko zakłócenia przebiegu procesu produkcyjnego i zwiększa wydajności zakładu poprzez eliminację przestojów. Dodatkowo niektóre zasilacze UPS marki Ever (Powerline Green 33 LITE / 33 PRO) oferują dodatkowe funkcjonalności (m.in. kompensacja mocy biernej), które wpływają na realną redukcję kosztów zasilania – mówi Michał Przybylski.

Kryteria doboru przemysłowego zasilacza UPS

Kryteriów doboru zasilacza awaryjnego jest wiele: to czas reakcji na zanik napięcia, odpowiednio długi okres eksploatacji urządzenia, czas pracy bateryjnej (podtrzymania), warunki środowiskowe (w tym na przykład zakres temperatur, w których ma pracować urządzenie, odporność na pył czy korozję, a nawet wysokość nad poziomem morza), dostępność rozwiązań stało i zmiennoprądowych oraz separacja galwaniczna, która chroni urządzenie na przykład przed skutkami przepięć. Przy wyborze UPSa przemysłowego nie sposób pominąć także takich kwestii, jak szeroki zakres dostępnych rozwiązań bateryjnych, czy wreszcie doświadczenie i pozycja dostawcy sprzętu na rynku. – Dla przykładu, w Schneider Electric – tłumaczy Przemysław Szczęśniak – zajmujemy się zapewnianiem zasilania urządzeń przemysłowych już od blisko 80 lat i posiadamy szerokie portfolio klientów z wielu różnych gałęzi gospodarki. Dzięki temu możemy również gwarantować serwis na odpowiednim poziomie – nie powinniśmy bowiem zapominać, że sam zakup urządzenia to nie wszystko, a w przypadku urządzeń dla przemysłu niezbędne są najwyższej jakości usługi serwisowe gwarantowane przez dostawcę.

Oczywiście najważniejsze jest odpowiednie dostosowanie mocy zasilacza UPS do mocy odbiorów. Należy przy tym uwzględnić typ obciążenia oraz wysokie prądy rozruchowe charakterystyczne dla odbiorów przemysłowych. Istotna jest również odporność zasilacza na trudne warunki środowiskowe oraz podwyższoną temperaturę pracy. – Dostępne są zasilacze przemysłowe ze stopniem ochrony IP52 odporne na wnikanie kurzu i wody np. Masterys IP+ firmy Socomec. Bardzo często przemysłowe zasilacze UPS wyposażone są w transformator separacyjny zapewniający separację galwaniczną odbiorów – wymienia Aleksandra Warchoł-Borzęcka. – Ważne są również możliwości komunikacyjne zasilacza, które umożliwiają wykonanie instalacji alarmowej w przypadku wystąpienia awarii, dzięki czemu przedsiębiorca będzie w stanie bezpiecznie przeprowadzić procedurę naprawy lub w razie konieczności wyłączenia zakładu.

Grzegorz Grzegrzółka zwraca uwagę na to, że przemysłowe UPS-y różnią się od UPS-ów IT bardziej rygorystycznymi parametrami technicznymi, chodzi tu m.in. o separację galwaniczną, odporność na duże przeciążenie prądowe oraz długie czasy podtrzymania bateryjnego, dostosowane do potrzeb danego zakładu przemysłowego. – Do budowy UPS-ów przemysłowych powinny być stosowane podzespoły elektroniczne o bardzo wysokiej jakości i tylko takie wykorzystujemy w naszych produktach. Co więcej, proponujemy rozwiązania szyte na miarę, dostosowując je do specyfiki danego przedsiębiorstwa i każdej technologii – podkreśla Grzegorz Grzegrzółka. Dyrektor ds. energetyki w Medcom Sp. z o.o. zwraca uwagę na dwie szczegółowe kwestie: przeciążalność prądową oraz oddzielny prostownik tylko dla baterii. 

Dlaczego przeciążalność prądowa w UPS-ie jest tak ważna?

– Jeżeli w którymś z obwodów wyjściowych zasilanych przez UPS nastąpi zwarcie, to zadziałanie zabezpieczenia zwartego obwodu powinno nastąpić w ciągu kilku milisekund. W trybie normalnej pracy pomaga w tym obwód bypass. Jeśli zwarcie następuje podczas pracy autonomicznej, to do jego usunięcia musi wystarczyć prąd generowany przez falownik. Z tego powodu pożądany jest odpowiednio duży prąd zwarciowy falownika – tłumaczy Grzegorz Grzegrzółka. W rozwiązaniach Medcomu jest to 6 x ln. W wielu instalacjach przemysłowych, często potrzebne jest również zasilanie gwarantowane dla instalacji z silnikami (pompy, wentylacja). Duży prąd wyjściowy falownika jest w tym wypadku niezbędny do prawidłowego rozruchu silników, które przy starcie mogą potrzebować nawet 10 x ln. 

Transformator na wejściu i wyjściu – pełna separacja galwaniczna z transformatorem i prostownikiem diodowym na wejściu, to bardziej niezawodne rozwiązania niż nowe technologie UPS w wcz. (wysokiej częstotliwości). Dlaczego? Ponieważ dzięki zastosowaniu transformatora na zasilaniu zapewniona jest izolacja galwaniczna wewnętrznego obwodu pośredniczącego DC w UPS od sieci zasilającej, a tym samym obwodu bateryjnego. Układy prostownikowe z transformatorem i mostkami diodowymi są proste w konstrukcji, a dzięki temu niezawodne i odporne na zakłócenia sieci zasilającej. Transformator na wyjściu falownika daje separację obwodów odbiorczych od wewnętrznych układów falownika. – Dzięki temu mamy pewność, że nawet w przypadku uszkodzenia wewnętrznego falownika, do odbiorników (często bardzo kosztownych) nie zostanie podane napięcie stałe, które może spowodować ich uszkodzenie – podsumowuje Grzegorz Grzegrzółka. 

I druga z kwestii. Niezależnie od zasilacza UPS-a/falownika, układ wyposażony jest w oddzielny prostownik tranzystorowy o bardzo niskich pulsacjach, przeznaczony tylko do ładowania baterii akumulatorów. Prawidłowa eksploatacja baterii, czuwanie prostownika nad parametrami ładowania baterii wydłuża jej żywotność. Jest to niezwykle istotne, ponieważ bateria jest jednym z najdroższych elementów systemu UPS. Zewnętrzny prostownik ułatwia również konserwację, testowanie i serwisowanie baterii.

Dobór a rodzaj urządzeń zabezpieczanych

Michał Przybylski zwraca uwagę na dobór zasilacza zgodnie z rodzajem urządzeń, jakie mają zostać zabezpieczone, mocą pobieraną przez te urządzenia oraz jaki jest wymagany czas ich podtrzymania. – W przypadku konieczności zasilenia urządzeń lub obiektu na kilka godzin warto rozważyć układ tandemowy – UPS + Agregat – radzi. W takim rozwiązaniu agregat zapewnia długi czas pracy, a UPS stanowi bufor na czas uruchomienia agregatu. Dodatkowo zasilacz stanowi układ filtrujący, który gwarantuje dostarczanie do urządzeń napięcia o idealnych parametrach.

W praktyce często się zdarza, że zestawiane do współpracy UPS-y oraz agregaty funkcjonują nieprawidłowo. W celu rozwiązania tego problemu warto oprzeć się o tandem (UPS + agregat prądotwórczy) dopracowany i przetestowany przez ekspertów. Michał Przybylski wymienia w tym kontekście m.in. UPS-y Ever serii Powerline Green 33 LITE / Pro oraz polecane przez firmę Ever agregaty.

Bardzo istotne staje się właściwe dobranie rozwiązań od strony poboru mocy. Maszyny stosowane w przemyśle mają często duże (chwilowe) pobory mocy podczas uruchamiania. W takiej sytuacji zasilacze UPS muszą być dobrane z odpowiednim zapasem, aby nie dochodziło do ich przeciążeń.  – Przy doborze rozwiązania należy zatem przeliczyć potencjalne straty wynikające z nieplanowanych przestojów i porównać je z kosztem inwestycji poniesionym przy zakupie zasilacza UPS – podkreśla Michał Przybylski. Warto również zwrócić uwagę na dodatkowe funkcjonalności, oprócz zapewnienia ciągłości procesu produkcji, które może nam zapewnić zasilacz UPS.

Zastosowanie zasilaczy UPS w przemyśle

UPS-y małej mocy w wykonaniu 1-fazowym o mocach 0,1 do 2 kW stosowane są w układach awaryjnego zasilania oświetlenia hal produkcyjnych, do zasilania awaryjnego na stanowiskach komputerowych lub w serwerowniach komputerowych. UPS-y o mocy większej niż 2 kW wykonywane jako 3-fazowe, są stosowane w szczególności do awaryjnego zasilania napędów 3-fazowych z silnikami prądu przemiennego lub stałego, są stosowane w hutnictwie, kopalnictwie w procesach bezpiecznego zakończenia operacji technologicznej, podczas zaniku napięcia sieciowego. Podobną rolę pełni UPS w napędzie hybrydowym samochodu elektrycznego. Umożliwia on dojazd samochodu do parkingu w przypadku awarii silnika spalinowego. Poprzez taką analogię w życiu codziennym, łatwo jest zrozumieć wartość rozwiązań UPS w przemyśle. 


Aleksandra Solarewicz