Индустриални UPS системи

В продължение на почти 40 години са налични онлайн непрекъсваеми захранващи системи (UPS), като пазарът на устройства с капацитет между 5 и 150 kVA продължава да нараства с 12% годишно, тъй като предприятията и индустрията стават все по-зависими от постоянния поток от цифрови данни.

Съгласно резултати от проучвания към момента, почти 8 от 10 произведени UPS системи са предназначени за приложения в областта на информационните технологии. Не е изненадващо, че специфициращите индустриални UPS системи срещат затруднения при идентифицирането на критичните разлики между търговското и промишленото UPS оборудване. По принцип областта на приложение на онлайн UPS системите може да се раздели на три широкообхватни сегмента.

Информационни технологии. Терминът “търговски UPS” се свързва с информационните технологии (IT), тъй като UPS и компютърната зала често се купуват като пакет. Минималните спецификации за IT UPS оборудване не са със сложен технически характер и обикновено се търси само сертифициране за безопасност. Центровете за данни в банки, болници и застрахователни компании са примери за типични IT UPS приложения. Прекъсването на променливотоковото захранване може да наруши обработката на данни и телекомуникациите, но не създава риск от нараняване на хора или имущество.

Управление на критични процеси. С течение на времето UPS системите, предназначени за приложения за управление на критични процеси, станаха популярни като “индустриални UPS”. При тези видове приложения прекъсването на захранването с променлив ток може да доведе до опасна химическа нестабилност в процесите или до скъпоструващи повреди на системите за обработка.

Нефтохимичните комплекси и електроцентралите са добри примери за приложения, в които протичат химични или свързани с пара процеси, които могат да станат опасни, ако се прекъсне управляващата мощност. Поради риска, произтичащ от загубата на захранване, предназначените за индустриални приложения UPS системи трябва да бъдат проектирани и да бъдат тествани на по-строго ниво от търговското оборудване.

Общо управление на процесите. Има приложения, които попадат в среда, която се обозначава като лека промишлена. Тези типове приложения включват процеси, за които не е присъща опасност, дори ако променливотоковото захранване бъде прекъснато по време на работа.

Възникването на неизправност в UPS и невъзможността за осигуряване на непрекъснат променлив ток обаче може да доведе до загуба на готова продукция или на стотици човекочасове за пренастройване на оборудването. Фармацевтичната и хранително-вкусовата индустрия могат да бъдат примери за лека промишлена класификация.

Съображения за околната среда

Много индустриални среди, в които се използват UPS, особено в производството на електроенергия, се характеризират с по-високи температури (т. е. >30°C) и замърсеност на въздуха с частици. Индустриалното UPS оборудване е проектирано да издържа на умерени количества непроводящ прах и високи температури на околната среда от поне 40°C, като обикновено се предлагат и системи за 50°C.

Като страничен продукт от процесите в геотермалните електроцентрали често се отделя серен диоксид, който при взаимодействие с влажен въздух формира разредена сярна киселина.

Индустриалните UPS системи, предназначени за приложения с геотермална енергия, са снабдени с никелирани медни шини или такива с епоксидно покритие, специални антикорозионни клемни съединения и киселинно устойчиви покрития на металните повърхности.

В екстремни случаи охлаждащият въздух до UPS шкафовете се подава от чист източник при положително налягане и се изпуска от горните им краища, за да се предпазят вътрешните пространства на UPS от атмосферните замърсители. За разлика от това, в IT UPS средата почти винаги се поддържа висока степен на чистота и температура от 30°C.

Експлоатационният живот на всяка UPS система се съкращава от работа при високи температури на околната среда. Критичният компонент на UPS, който най-силно се засяга от високите температури, е батерията, но има и други вътрешни елементи като филтриращи кондензатори например, чийто живот също може да бъде редуциран вследствие на условията на средата.

IT приложенията може да не налагат изискване за дълъг живот на UPS, но при използването им за управление на критични процеси често се специфицира живот от 15-20 години. Промишлените UPS системи имат вградени конструкционни решения, подсигуряващи експлоатационния им живот в не толкова добра работна среда.

Освен това, при индустриалното UPS оборудване се прилагат и програми за прогнозна подмяна на части за осигуряване на оптимален усреднен период между отказите (mean time between failures, MTBF) за целия експлоатационен живот.

Видове статични превключватели

Хибридната конфигурация на статичния превключвател е много често използвана в IT UPS системите. Само байпасният полюс на статичния комутатор има двойка противопаралелно свързани тиристори (silicon controlled rectifier, SCR) за електронно превключване на захранването.

Инверторната страна на хибридния статичен превключвател използва реле (контактор) с нормално отворени контакти, за да изключи инвертора от байпаса по време на процеса по прехвърляне на критичния товар. Контакторите не са толкова надеждни, колкото SCR устройствата, особено ако инверторът е изложен на повтарящи се грешки в натоварването.

При неизправност, породена от критично натоварване, след изхода на UPS токът на късо съединение е ограничен само от импеданса на байпасния източник. Високите нива на предизвикалия повреда ток могат да заварят електрическите контакти на контактора. Ако контактите на хибридния статичен превключвател на UPS не се отворят, изходът на устройството ще бъде свързан непрекъснато към байпасния източник.

UPS инверторите, особено някои инвертори с широчинно-импулсна модулация (ШИМ), не са проектирани така, че техните AC изходи да са резервно захранени от байпаса за повече от 30-50 ms.

Индустриалните UPS системи използват SCR устройства на полюсите както на инвертора, така и на байпаса. При индустриалните UPS конструкции вместо контактора на инвертора се използва допълнителна противопаралелно свързана SCR двойка.

Тази модификация е, разбира се, по-скъпа конструкционна характеристика, но елиминирането на контактора увеличава надеждността на статичните превключватели. MTBF на UPS устройствата зависи от надеждността на статичния превключвател, защото той е директно свързан в енергийната връзка между инвертора и критичния товар.

Някои промишлени UPS системи имат два режима на превключване на статичните комутатори в зависимост от състоянието на фазовата синхронизация на инвертора и байпаса. Ако байпасът и инверторът са във фазова синхронизация, статичният превключвател осигурява припокриване (превключване преди прекъсване).

Ако байпасът и инверторът не са фазово синхронизирани и натоварването на UPS надхвърля капацитета на инвертора, статичният превключвател ще извърши 0,25 прекъсвания на цикъла на трансфер, за да се предотврати възникването на несинхронизиран циркулиращ ток. Този тип гъвкавост при превключване на статичните комутатори с двоен режим би била невъзможна без напълно електронен статичен превключвател.

Анализ на UPS конструкцията при непредвидени обстоятелства

В малко IT UPS системи се използват конструкции на отказоустойчиви статични превключватели. Много често SCR релейните схеми в хибридния статичен превключвател се задействат от оптосъединители, които изискват външно захранване, за да генерират селектиращите импулси.

При конструкции със статични отказоустойчиви превключватели статичните SCR превключватели извличат мощността за захранването си от тока на натоварване. SCR релетата с магнитно изместване са настроени така, че байпасните SCR устройства да бъдат стробирани от нормално затворените магнитни контакти на релето.

При отказоустойчив статичен превключвател отказът на захранване ще принуди UPS да прехвърли критичното натоварване от инвертора към байпаса.

Обикновено в наши дни UPS устройствата използват микропроцесорно управление. За съжаление, освен ако не бъде внимателно обмислено това как да се ограничи обхватът на микропроцесорното управление, режимът при повреда в единична точка създава проблем, ако микропроцесорът не успее да се справи.

При конструкциите на UPS, в които не са обмислени режимите на повреда в единична точка, неизправността на микропроцесора води не само до внезапна загуба на UPS захранване, но и до отказ на статичния превключвател за пренасяне на критичното натоварване към байпаса.

При индустриалните UPS конструкции режимите на отказ в единична точка са внимателно обмислени и елиминирани, ако изобщо са възможни. В добре проектиран микропроцесорно управляван UPS както вътрешни, така и външни контролни вериги непрекъснато следят изчисленията на микропроцесора. Ако се установи грешка на микропроцесора, индустриалният UPS със своя независим и отказоустойчив статичен превключвател незабавно прехвърля критичния товар към байпаса.

Ръчният байпасен превключвател (manual bypass switch, MBS) дава възможност на персонала по поддръжката умишлено да включи критичното натоварване от UPS към източника на байпас. В IT UPS функцията за ръчен байпас обикновено се извършва с прекъсвач.

Натоварването за байпасно превключване първо се осъществява чрез статичния превключвател и след това се изолира или шунтира чрез затваряне на ръчния байпасен прекъсвач. Макар че това изглежда като прост метод на байпас, той изцяло зависи от правилната работа на статичния превключвател на UPS. Ако статичният превключвател не функционира, задействането на байпаса чрез ръчния прекъсвач няма да работи, както е предвидено.

В индустриалните UPS устройства се използват “действащи преди изключване” ротационни барабанни превключватели. По този начин ръчното превключване на байпаса е напълно независимо от работата на статичния превключвател. При някои индустриални UPS конструкции ръчният байпасен превключвател има допълнителни контакти за превключване на мощността, които изолират статичния превключвател от байпаса и инвертора, за да улеснят достъпа за поддръжка.

UPS батерии и зарядни устройства

По принцип приложенията за IT UPS специфицират използването на оловно-киселини батерии с регулиращи клапани (VRLA) за интервали от 10 до 30 минути. Тъй като времето за използване на батерията на IT UPS обикновено не е толкова дълго, колкото това в индустриалните приложения, капацитетът на зарядното устройство обикновено не е от особено значение.

Зарядните устройства за батерии на UPS за IT пазара обикновено са оразмерени така, че да презареждат оловно-киселинна UPS батерия за 15-30 минутно ползване с 95% от капацитета й за 8-10 часа.

За разлика от това, в индустриалните приложения капацитетът на зарядното устройство често трябва да бъде много по-голям, тъй като времето за действие на батерията може да варира от 60 минути до 8 часа или повече. Отговарящите за специфицирането на UPS трябва гарантират, че системата разполага с достатъчно капацитет за презареждане на батериите, особено в индустриални приложения като генериране на електроенергия, които обикновено използват UPS батерии в продължение на 4-8 часа.

Често в IT UPS приложенията оловно-киселинните батерии се разреждат по-дълбоко, обикновено до крайно разрядно напрежение от 1,65 волта на клетка. За разлика от тях индустриалните UPS системи използват по-високо крайно напрежение от 1,75 волта на клетка. Разреждането на UPS батериите до ниско крайно напрежение ще отнеме повече енергия от клетките и ще доведе до по-малки габарити на батериите.

Трябва да се има предвид, че дълбокият клетъчен разряд намалява експлоатационния живот на UPS батериите. Оловно-киселинните клетки, особено по-евтините с 5 до 10 години експлоатационен период, са много чувствителни към дълбочината на разреждане. Затова специалистите трябва внимателно да преценят последиците от намалената продължителност на експлоатация на батерията, в случаите когато оловно-киселинните UPS батерии се разреждат под 1,75 V на клетка.

Проектен живот на оборудването

Компонентите на индустриалното UPS оборудване имат проектни ограничения, които са такива, че UPS системите да осигуряват >100 000 часа MTBF, когато работят в типична промишлена среда.

Състоянието на някои компоненти, например охладителни вентилатори и DC кондензатори, се влошава с течение на времето, дори и при консервативни конструкционни практики. Индустриалните UPS потребители като електроцентрали обикновено специфицират експлоатационния живот на устройствата на 20-30 години.

UPS устройствата за приложение в нефтохимичната промишленост имат по-тесен диапазон за експлоатационен живот - обикновено в интервала от 10 до 15 години.

Доставчиците на индустриални UPS имат документирани графици за подмяна на компоненти - например вече посочените вентилатори за охлаждане и DC кондензатори, така че MTBF на UPS системата да може да се поддържа в продължение на 20-30 години експлоатационен живот.

Водещите доставчици на индустриални UPS имат програми за подмяна на резервни части, благодарение на които се поддържа добрата работна кондиция на по-старото UPS оборудване. Тъй като доставчиците на индустриални UPS трябва да осигурят поддръжка и на по-старите си устройства, те разполагат с полеви данни в своите информационни листове, с помощта на които стойността на MTBF може да се запази съгласно спецификациите.

Компаниите, доставящи индустриални UPS, задържат моделите си на пазара за по-дълги интервали от време, като се стараят да избягват остаряването на продуктите, защото тенденцията е за поддръжка на по-старите UPS системи в работна кондиция. Обратната съвместимост на компонентите винаги е важен въпрос, свързан с доставчиците на индустриални UPS системи.

На пазара за търговски UPS моделите често излизат от употреба след 5 години експлоатация. Днес продължителността на експлоатация на един типичен център за данни - основно поради изменението на технологиите, е под 5 години. Затова доставчиците на IT UPS, които познават добре своя пазар, са склонни да съсредоточават усилията си върху дизайна, за да направят новите си модели по-евтини, по-малки и по-ефективни.

Бързото амортизиране на UPS оборудването в тази област затруднява в значителна степен дългосрочната поддръжка на по-старите устройства.

Определящите спецификациите на индустриални UPS устройства трябва да са наясно с проблемите по дългосрочна поддръжка при подбора на доставчик.

Когато се вземат под внимание разходите, свързани с жизнения цикъл на UPS, особено при мащабни производствени процеси, изборът на индустриален UPS дизайн с планирана програма за подмяна на критични компоненти е много по-евтино решение, отколкото замяната на устройството.

Инверторни технологии

Ферорезонансните инвертори се използват в индустриални приложения от няколко десетилетия. Тези инвертори все още се предпочитат за наистина натоварените приложения на UPS (например в ядрената енергетика) поради простота на електрическата им верига и присъщата им безотказна конструкция.

През последното десетилетие инверторите с ШИМ станаха по-приемливи за индустриални приложения на UPS благодарение на подобренията в надеждността и скоростта на превключване на мощните IGBT транзистори. Независимо от избраната инверторна технология обаче, индустриалното UPS оборудване винаги ще бъде по-скъпо от търговското, защото характерът на приложението им е много различен.