Metody zwiększania niezawodności zasilania

Metody zwiększania niezawodności zasilania

Wyższy stopień trudności przedstawia uniezależnienie urządzeń od usterek elementów samego systemu zasilania. Efekt ten można osiągnąć dzięki zastosowaniu rozwiązań poprawiających poziom niezawodności, takich jak:  

Zastosowanie toru obejściowego

Typowy zasilacz UPS pracujący w technologii podwójnego przetwarzania energii powinien być wyposażony w tor obejściowy pozwalający na okresowe podanie na odbiory napięcia sieci zewnętrznej. Przełączany automatycznie układ obejściowy podnosi niezawodność zasilania odbiorów przez udostępnienie rezerwowego źródła napięcia o znacznej mocy zwarciowej w postaci sieci energetycznej. Pozwala to zasilać obwody odbiorcze w przypadku uszkodzenia inwertora lub w przypadku, gdy pobór mocy z zasilacza przekroczy jego moc znamionowa i dopuszczalna przeciążalność inwertora Może to mięć znaczenie np. podczas rozruchu niektórych typów odbiorów i jest bardzo istotne w przypadku zwarcia w obwodzie odbiorczym - duża moc zwarciowa sieci pozwala na natychmiastowe przepalenie bezpiecznika i wyeliminowanie uszkodzonego obwodu.

Wprowadzenie toru obejściowego zasilanego z innego transformatora poprawia niezawodność pracy systemu poprzez przełączenie zasilania odbiorów bezpośrednio ze źródła energii w przypadku, gdy nie jest możliwe zapewnienie zasilania w trybie pracy normalnej. Dotyczy to przypadków awarii urządzenia jak również przypadków w których moc obciążeń przekracza wartość mocy znamionowej urządzenia. W tym przypadku na wynik czasu niedostępności całego systemu ma również wpływ charakterystyka dostępności źródła zasilania.

Dalszy wzrost niezawodności wymaga rezerwowania całego zasilacza przez zastosowanie redundancyjnego układu równoległego.
 
Połączenie równoległe jednostek (n+1)

Wyposażenie UPSa w tor obejściowy znacznie poprawia jego parametry niezawodnościowe, jednak nie jest to rozwiązanie zapewniające oczekiwany obecnie w działaniu układów krytycznych poziom niedostępności. Znaczną poprawę czyli obniżenie poziomu niedostępności uzyskuje się w układach pracy równoległej zasilaczy wyposażonych w tory obejściowe. Przy wykorzystaniu w budowie systemu zasilania układów pracy równoległej o takiej samej wartości współczynnika czasu pracy międzyawaryjnej, największy poziom niezawodności i minimalny czas niedostępności uzyskuje się w układzie redundancyjnym łącznie z bezprzerwowym systemem przełączającym typu „static switch” na wyjściu.

Systemy równoległe redundancyjne stosowane są w c elu:

  • zwiększenie mocy systemu,
  • zapewnienie redundancji (bezpieczeństwa),
  • możliwości prowadzenia prac obsługowo-naprawczych bez przerwy w zasilaniu odbiorów.

Wyjścia równoległych jednostek UPS są podłączone do wspólnej szyny wyjściowej. Podczas normalnej pracy obciążenie jest podzielone równo między jednostki podłączone do wspólnej szyny. Modułowa koncepcja UPS-ów pozwala na łączenie równolegle zwykle do 4 - 8 urządzeń, bez stosowania wspólnych lub priorytetowych elementów.
 
Specjalne systemy synchronizacji

W przypadku układów przemiennoprądowych UPS podstawowym problemem staje się synchronizacja napięć wyjściowych co w praktycznych układach znacznie redukuje poziom uzyskiwanej niezawodności. Jednak układy pracy równoległej ze względu na możliwość łatwej rozbudowy systemu z zachowaniem parametru czasu niedostępności na wystarczającym poziomie, znajdują zastosowanie w budowie systemu szczególnie w zakresie konstrukcji modułowych i systemów zapewniających elastyczną rozbudowę w miarę zmieniających się potrzeb.

Układ równoległy w celu zwiększenia mocy

W celu zwiększenia całkowitej mocy wyjściowej systemu, kilka jednostek może być łączonych do pracy równoległej. Całkowita moc podzielona pomiędzy równoległe urządzenia jest równa mocy znamionowej całkowitego obciążenia. W przypadku uszkodzenia jednego z UPS-ów, moc pozostałych jednostek systemu jest niewystarczająca dla zasilania obciążenia i obciążenie zostanie przełączone na zasilanie sieciowe poprzez automatyczny układ obejściowy.
 
Układ równoległy w celu redundancji:

Istnieją instalacje zasilania gwarantowanego, od których wymaga się szczególnej niezawodności i bezbłędnej pracy ciągłej. W takim przypadku należy przy konfiguracji systemu przewidzieć możliwość prowadzenia prac serwisowych, w tym wymiany baterii, z jednoczesnym zapewnieniem zasilania chronionych obiektów. Taka konfiguracja jest określana jako system równoległy redundancyjny. Dla tego systemu minimum konfiguracyjne to dwie jednostki mocy. W warunkach szczególnego zagrożenia preferowany jest układ trzech jednostek, który dopuszcza awarię jednego z dwóch zasilaczy po uprzednim odłączeniu trzeciego do serwisowania. Dla bardzo dużych mocy, kiedy ograniczeniem jest maksymalna moc jednostki - liczba zastosowanych UPS-ów wynika z bilansu mocy i uwzględnienia warunku redundancji.

Całkowita moc (n-1) z (n) równoległych redundancyjnych UPS-ów jest równa 100% mocy obciążenia.  Obciążenie jest podzielone pomiędzy (n) równoległych urządzeń podłączonych do szyny wyjściowej. Jeżeli jedna z (n) jednostek równoległych zostanie wyłączona (uszkodzi się), pozostałe (n-1) urządzeń będzie zasilało obciążenie, dostarczając gwarantowane napięcie z falowników. Rozwiązanie takie zapewnia wyższą niezawodność i większe bezpieczeństwo dla obciążenia oraz dłuższy czas pracy międzyawaryjnej MTBF (Mean Time Between Failures).
 
Nie wszystkie zasilacze potrafią pracować w układach równoległych i nie wszystkie układy równoległe zapewniają identyczny poziom niezawodności. Źle skonstruowany system równoległy może być sam w sobie przyczyną awarii. Dojść może do sytuacji paradoksalnej, gdy zastosowanie układu mającego na celu zwiększenie niezawodności prowadzi do wzrostu prawdopodobieństwa awarii.

Schemat systemu równoległego dwóch UPSów w konfiguracji dla przemysłu

Niezawodna praca systemu równoległego zależy przede wszystkim od dwóch czynników:

  • istnienia pewnego, niezawodnego systemu synchronizacji,
  • zdolności układu do selektywnego izolowania urządzeń uszkodzonych.

Precyzja synchronizacji i jej absolutna niezawodność są czynnikami niezwykle istotnymi ze względu na równomierność podziału obciążenia i, co najważniejsze, ze względu na bezpieczeństwo pracy falowników. Nawet niewielka różnica faz napięć zasilaczy podłączonych do wspólnych szyn odbiorczych prowadzi do znacznych różnic w obciążeniu zasilaczy (przesunięcie fazowe równe tylko jednemu stopniowi odpowiada aż 50-procentowej różnicy w obciążeniu). Rozsynchronizowanie kończy się w najlepszym przypadku natychmiastowym wyłączeniem całego systemu, w najgorszym - poważną awarią UPSów. Dlatego należy zapewnić niezawodny układ komunikacji między jednostkami UPS np. przez zastosowanie redundancyjnej (nadmiarowej) szyny komunikacyjnej.
 
Dodatkowe wymagania dla systemu równoległego-redundancyjnego:

  • Zewnętrzny układ obejściowy (bypass serwisowy tzw. „busbar”) - jeden dla całego systemu, umożliwiający wyłączenie / obsługę poszczególnych jednostek UPS bez przerw w zasilaniu odbiorów.
  • Oddzielne zasilanie prostownika (toru głównego) i toru obejściowego (bypass).
  • Jeśli to możliwe, należy zapewnić zasilanie prostowników w różnych sekcji (bypassy należy zasilić z tej samej sekcji).
  • Nadmiarowa szyna komunikacyjna między jednostkami systemu równoległego.
  • Dobór odpowiadających sobie przewodów zasilających i odbiorczych dla każdego UPS-a o równej długości.
  • Zapewnić odpowiednie ustawienie urządzeń tak, aby nie kierowały na siebie ciepłego powietrza.
  • Ze względu na niezawodność zaleca się stosowanie baterii osobnych dla każdego UPS-a (najlepiej w zestawach równoległych), jednak ze względów kosztowych można zastosować baterie wspólne. W tym przypadku zaleca się nie łączyć równolegle więcej niż cztery gałęzie baterii.
A = Wejście zasilania sieciowego – UPS 1   1 = UPS 1
B = Wejście zasilania sieciowego – UPS 2   2 = UPS 2
C..H = Wejście zasilania sieciowego dla innych jednostek równoległych   3..8 = Wyjście kolejnych  jednostek UPS
I = Wejście zasilania sieciowego dla centralnego układu obejściowego   CBP = Szafa ze wspólną szyną zbiorczą i centralnym układem obejściowym
E = Zasilanie obciążenia
 
Konstrukcje modułowe

Architektura modułowa umożliwia zaprojektowanie równoległego-redundancyjnego układu zasilania, w którym awaria jednej jednostki zasilającej nie wpływa na funkcjonowanie całego systemu UPS i zasilanych aplikacji - pozostałe jednostki przejmują obciążenie modułu uszkodzonego. Łatwość wymiany modułów mocy (hot-swap) zmniejsza czas interwencji serwisowej i okres stanu uszkodzenia do absolutnego minimum. Każde zwiększenie mocy UPSa polega na łatwej instalacji modułu(ów) mocy bez wyłączania całego systemu i bez wpływu na bezpieczeństwo odbiorów. Procedura zwiększania mocy odbywa się w istniejącej szafie nie wymaga dodatkowych zmian w instalacji elektrycznej.

Średni czas naprawy MTTR (Mean Time To Repair) jest jednym z najważniejszych parametrów bezpiecznej eksploatacji. Jego skrócenie powoduje w wielu sytuacjach bardzo znaczny wzrost niezawodności całego systemu. Parametr niedostępności systemu, pogarszający się wraz z rosnącą liczbą współpracujących równolegle jednostek mocy, może ulec znacznej poprawie poprzez skracanie MTTR czyli czasu potrzebnego do usunięcia niesprawności. Wiąże się to z poprawą działalności służb serwisowych i odpowiednią konstrukcją urządzeń wykorzystującą budowę modułową. Uszkodzony moduł może być samodzielnie przez użytkownika wymontowany i zastąpiony nowym sprawnym. Zastosowanie dodatkowych modułów nadmiarowych w ilości większej niż jeden wpływa na poprawę niezawodności działania całego układu zasilania.

Systemy modułowe ze względu na możliwość łatwej rozbudowy z zachowaniem parametru dostępności na wystarczającym poziomie, znajdują coraz częstsze zastosowanie w ochronie ważnych aplikacji.
 
Całkowite koszty posiadania sprzętu (TCO) przy założeniu 8 lat eksploatacji.

Miejsce instalacji systemu UPS

Wybór właściwego pomieszczenia:

  • Niezbędna powierzchnia z uwzględnieniem dostępu do urządzeń dla obsługi i serwisu.
  • Nieobecność rur CO oraz wodno-kanalizacyjnych, unikać zawilgoconych pomieszczeń.
  • Bez ekspozycji słonecznej.
  • W przypadku piwnicy – ochrona przed zalaniem. Wymagane jest podwyższenie (platforma) i układ odprowadzania wody.
  • Przy wyborze pomieszczenia niezbędna jest analiza drogi transportowej.

 Przygotowanie pomieszczenia:

  • Zapewnienie wystarczającej klimatyzacji (ze względu na baterie). Temperatura w pomieszczeniu powinna utrzymywać się w granicach 20-25°C. Przy wyborze wielkości klimatyzatora należy brać pod uwagę ilość ciepła wydzielanego przez UPS, inne urządzenia znajdujące się w pomieszczeniu i wydzielające ciepło (nie zapominać o przewodach oraz rozdzielnicach), ciepło wnoszone przez ściany od sąsiednich pomieszczeń oraz elewacji budynku. Klimatyzator nie powinien być zasilany z UPS-a. Klimatyzator musi mieć funkcję auto-restart, aby po ponownym załączeniu zasilania mógł ponownie wystartować.
  • Doprowadzenie do pomieszczenia przewodów energetycznych (zasilających oraz odbiorczych) i kontrolno-sterujących (zdalne sygnalizatory i komunikacja z komputerami).
  • Zainstalowanie oświetlenia awaryjnego oraz gniazdka technologicznego 230 V.
  • Zapewnienie ochrony przeciwprzepięciowej.
  • Przepięcia występują w każdym miejscu sieci energetycznej i są nie do uniknięcia. Przyczynami powstawania przepięć są np. przełączenia, wyłączenia i załączenia odbiorników indukcyjnych i baterii kondensatorów do kompensacji współczynnika mocy, doziemienia, zadziałanie zabezpieczeń itp. Przepięcia mogą stać się przyczyną poważnych uszkodzeń w czułym sprzęcie komputerowym i nie tylko. Ochronę zapewniają odgromniki i ochronniki przeciwprzepięciowe.

    UWAGA: Ochrona przeciwprzepięciowa jest skuteczna tylko wtedy, gdy obejmuje cały budynek.
     
  • Doprowadzenie do UPS-a przewodów od wyłącznika ppoż. Norma EN50091 wymaga takiego wyłącznika dla każdego UPS-a podłączonego na stałe do instalacji, aczkolwiek stwierdza się, że może być integralną częścią UPS-a i nie musi być zdalny.
  • Zapewnienie możliwości prowadzenia połączeń między elementami systemu (kanały, drabinki).
  • Zapewnienie warunków bezpiecznej obsługi i serwisowania sprzętu.

Instalacja elektryczna

  • Nie należy umieszczać na tej samej fazie co systemy komputerowe innych odbiorników, które stanowią źródło zakłóceń, takich jak np.: wentylatory, klimatyzatory, oświetlenie.
  • Dla sieci gwarantowanej (na wyjściu UPS-a) wskazane jest stosowanie niestandardowych gniazdek. Zapobiega to przypadkowemu włączeniu do sieci napięcia gwarantowanego urządzeń mogących wprowadzić zakłócenia i niepotrzebne dodatkowe obciążenie UPS-a.
  • Po odłączeniu zasilania obiektu z powodu zagrożenia, np. pożarowego, UPS pozbawiony zasilania podstawowego przejdzie w tryb pracy z baterii i będzie w dalszym ciągu źródłem napięcia przemiennego. Może to stanowić zagrożenie dla osób gaszących pożar. Wymagany jest zatem wyłącznik do awaryjnego zatrzymania pracy UPS-a, który powinien być zainstalowany w pobliżu wyłącznika głównego p/ppoż. i wyraźnie oznaczony, iż dotyczy zasilania gwarantowanego. Mogą być wykorzystane wolne styki istniejącego wyłącznika. Nie jest wymagane, aby obwody bateryjne znajdujące się wewnątrz UPS-a miały być odłączane. Niektóre instytucje jak np. szpitale mają odrębne przepisy w tej kwestii.
  • W instalacjach elektrycznych, w których dominują urządzenia wyposażone w zasilacze SMPS należy uwzględnić wartość prądu płynącego w przewodzie neutralnym. Ponieważ większość urządzeń komputerowych zasilana jest jednofazowo (tzn. włączane są między jeden z przewodów fazowych i przewód neutralny), to nawet przy zachowaniu asymetrii obciążenia faz w przewodzie neutralnym będzie płynął znaczny prąd. Przepływ tego prądu wynika z niesinusoidalnego poboru prądu przez zasilacze SMPS. Dobór właściwego przekroju przewodu neutralnego jest tym ważniejszy, że jest on bardzo rzadko zabezpieczany przed przeciążeniem. Źle dobrany przewód przegrzewa się, co stwarza zagrożenie pożarowe. Ponadto ze względu na zwiększony prąd w przewodzie neutralnym powstaje spadek napięcia i może się okazać, że przy samym odbiorniku zamiast oczekiwanego 0V, różnica potencjałów między N i PE wynosi 6 do 10 V. Przepisy nie określają, jakie napięcie jest dopuszczalne. Wbrew oczekiwaniom powiększanie przekroju przewodów powyżej 95mm2 nie zmniejsza ich induktancji. W tym przypadku celowe wydaje się równoległe stosowanie przewodów, aby uzyskać wymagany przekrój. Ostatecznym rozwiązaniem jest podział odbiorów gwarantowanych na sekcje i zasilanie ich z osobnych UPS-ów. Należy pamiętać, że UPS / falownik stanowi filtr dla źródła zasilającego, jakim jest sieć zawodowa lub agregat prądotwórczy. Podczas pracy na obejściu (bypass) źródła te widzą bezpośrednio odbiory. Zakłócenia, które wprowadzają odbiory mogą okazać się wówczas nie akceptowalne, w szczególności przez agregat.
  • Dotychczas brak jest ostatecznych międzynarodowych uregulowań prawnych w zakresie zawartości harmonicznych prądu, jakie są wnoszone do sieci zasilającej. Norma IEC 1000-3-2 ogranicza się do prądów 16A na fazę.
  • Dobór zabezpieczeń w sieci zasilającej urządzenia komputerowe z zastosowaniem UPS-a powinien odbywać się według ogólnie przyjętych zasad ze szczególnym uwzględnieniem selektywności ich działania. Przy doborze zabezpieczeń pomocne mogą być poniższe uwagi. W trybie pracy bateryjnej prąd zwarciowy z reguły jest ograniczany do wartości około 150% wartości nominalnej (jest to zwykle zabezpieczenie elektroniczne falownika). W trybie pracy normalnej (z sieci energetycznej) w przypadku zwarcia UPS przełączy się na pracę z obejściem, a wartości prądów zwarciowych są większe (rodzaj bezpieczników, charakterystyki i wartość prądów maksymalnych są podawane przez producentów UPS-ów).
  • Przepięcia stanowią szczególne zagrożenie dla bardzo wrażliwego sprzętu komputerowego. Stosuje się ochronę podstawową - odgromniki i ochronniki przeciwprzepięciowe należy zainstalować w miejscu doprowadzenia instalacji do obiektu oraz ochronę dodatkową – wymienione elementy należy zainstalować w wybranych miejscach wewnątrz obiektu. Włącza się je między przewody sieci zasilającej i ziemię.
  • Jednym z najistotniejszych elementów wykonania instalacji napięcia gwarantowanego (na wyjściu UPS-a) jest prawidłowe rozprowadzenie przewodu PE. Należy utrzymać system gwiaździsty i nie dopuszczać do tworzenia pętli, szczególnie przez kable sygnałowe. Wyładowanie elektryczne w pobliżu może spowodować indukowanie się napięć przekraczających progi przebicia obwodów urządzeń.
UPSgeAEGLegrandinformDelta EnergyEuro-DieselAgregatygesandoosanjcbjohn_deereivecomitsubishiMTUvolvoperkinscumminsKlimatyzacjaAiredale
© 2015 EST Energy Sp. z o.o.   |   Wszelkie prawa zastrzeżone
Projekt & CMS: www.zstudio.pl