Ipari szünetmentes tápegység (UPS) méretezése a gyakorlatban

A szünetmentes tápegység (UPS) megfelelő méretezése alapvető feltétele a kritikus berendezések biztonságos és folyamatos működésének.

Egy alulméretezett UPS túlterhelődhet, vagy akár le is állhat, míg a szükségesnél nagyobb teljesítményű rendszer indokolatlan beruházási költségekkel járhat.

Az UPS méretezés során ezért nem elegendő kizárólag a fogyasztók névleges teljesítményéből kiindulni. Figyelembe kell venni a terhelés jellegét, az esetleges indítási áramlökéseket, a későbbi bővítési igényeket és a rendszer üzembiztonsági követelményeit is.

Az alábbiakban bemutatjuk azokat a legfontosabb műszaki szempontokat, amelyek meghatározzák az ipari UPS rendszerek szükséges teljesítményét.

1. UPS méretezés statikus terhelés esetén

A szünetmentes tápegység méretezésének első lépése a csatlakoztatott fogyasztók teljesítményigényének meghatározása. Statikus terhelésről akkor beszélünk, ha a berendezések működése során nem jelentkeznek az állandósult teljesítményigényt többszörösen meghaladó, rövid idejű terhelés csúcsok.

Ilyen esetben általában elegendő a fogyasztói teljesítmény 120%-ára méretezni az UPS-t. A további 20% dinamikai tartalékként szolgál, amely lehetővé teszi a kisebb terhelés változások kezelését.

Például egy 10 kW összteljesítményű, statikus fogyasztói kör esetén a számítás a következő:

10 kW × 1,2 = 12 kW

A példában tehát legalább 12 kW megfelelő kimeneti teljesítményű UPS szükséges. A végleges kiválasztásnál azonban a kW-ban és kVA-ban megadott névleges teljesítményt, a teljesítménytényezőt és az adott berendezés terhelhetőségét is ellenőrizni kell.

A 20%-os tartalék ugyanakkor nem minden alkalmazásnál elegendő. Jelentős indítási áramok vagy gyors terhelés változások esetén külön vizsgálat szükséges.

2. Tranziens terhelések szerepe az UPS méretezésében

Az ipari UPS méretezés egyik legfontosabb kérdése, hogy a fogyasztói körben előfordulnak-e jelentős tranziens teljesítményigények. Ezek olyan rövid idejű terhelés csúcsok, amelyek a berendezések bekapcsolásakor vagy működési állapotuk változásakor jelentkeznek, és akár többszörösen meghaladhatják a normál üzemi teljesítményt.

Jellemzően az alábbi fogyasztók okozhatnak nagyobb tranziens terhelést:

• Villamos motorok: indításkor a névleges üzemi áram többszörösét is felvehetik.
• Transzformátorok: bekapcsoláskor jelentős mágnesezési áramlökés jelentkezhet.
• Nem kompenzált tápegységek: több berendezés egyidejű bekapcsolása számottevő terhelés csúcsot eredményezhet.

Az ilyen terhelések miatt a statikus fogyasztás alapján meghatározott UPS-teljesítmény nem feltétlenül elegendő.

Ha az indítási áramlökés meghaladja az UPS megengedett túlterhelhetőségét, a rendszer túlterhelési védelme működésbe léphet, ami veszélyeztetheti a fogyasztók folyamatos áramellátását.

Amennyiben jelentős tranziens igény gyanúja merül fel, célszerű műszeres vizsgálatot végezni. A mérések segítségével meghatározható a tényleges csúcsterhelés és annak időtartama, így a szükséges UPS-teljesítmény a valós üzemi körülményekhez igazítható.

A terhelési csúcsok mellett a hálózati zavarok hatását is figyelembe kell venni. A feszültségingadozások és áramkimaradások különösen az érzékeny ipari berendezések működését veszélyeztethetik.

3. A későbbi teljesítményigény és a redundancia figyelembevétele

Az UPS kiválasztásakor nemcsak a jelenlegi fogyasztói igényeket, hanem a tervezett bővítéseket is érdemes figyelembe venni. Egy új gyártóberendezés, szerver vagy technológiai egység telepítése jelentősen növelheti a rendszer teljesítmény igényét.

UPS méretezés a későbbi bővítéshez

A jövőbeni fogyasztásnövekedés kezelésére több megoldás is rendelkezésre áll.

Az egyik lehetőség, hogy már a kezdeti telepítéskor a várható végső teljesítmény igénynek megfelelő UPS-t választunk. A modern szünetmentes tápegységek széles terhelési tartományban képesek jó hatásfokkal működni, ezért bizonyos esetekben a nagyobb névleges teljesítményű berendezés alkalmazása is gazdaságos megoldást jelenthet.

Másik lehetőség a párhuzamosan működő egységekből felépített rendszer. Ebben az esetben a kezdeti teljesítmény igényhez igazodó UPS-kapacitás később további egységekkel bővíthető, amennyiben a választott rendszer ezt támogatja.

A moduláris UPS rendszerek különösen előnyösek lehetnek olyan létesítményekben, ahol a teljesítményigény fokozatos növekedésére kell számítani.

Párhuzamos UPS rendszerek és N+1 redundancia

A párhuzamos kialakítás nemcsak a teljesítmény bővítését, hanem a rendszer rendelkezésre állásának növelését is lehetővé teszi.

Az N+1 redundancia lényege, hogy a szükséges UPS-kapacitáson felül egy további, tartalék egység is rendelkezésre áll. Így egy berendezés meghibásodása esetén a megmaradó egységek továbbra is képesek ellátni a fogyasztókat, feltéve, hogy a rendszer megfelelően lett méretezve.

Ez különösen fontos adatközpontokban, ipari termelő üzemekben és más kritikus infrastruktúrákban, ahol már egy rövid áramellátási zavar is jelentős kiesést okozhat.

4. Háromfázisú UPS méretezése aszimmetrikus terhelés esetén

Háromfázisú rendszereknél előfordulhat, hogy a fogyasztók nem egyenletesen terhelik a fázisokat. Jelentős terhelési aszimmetria esetén az összesített teljesítmény önmagában nem ad megfelelő alapot az UPS kiválasztásához.

Ilyenkor a legerősebben terhelt fázisból kell kiindulni. A háromfázisú UPS méretezés egyik alkalmazható, konzervatív módszere, hogy a legnagyobb fázisterhelést hárommal szorozzuk meg.

Ha például a legnagyobb fázisterhelés 4 kW, akkor a módszer alapján 12 kW összteljesítményű UPS-sel számolhatunk kiindulásként. A végleges méretezéshez azonban ellenőrizni kell a berendezés fázisonkénti terhelhetőségét és a gyártó által megengedett aszimmetria mértékét is.

A fázisterhelések pontos ismerete azért fontos, mert egy látszólag megfelelő összteljesítményű UPS is túlterhelődhet, ha valamelyik fázis terhelése meghaladja a megengedett értéket.

5. Milyen fogyasztók okozhatják az UPS letiltását?

Bizonyos ipari fogyasztók olyan villamos jelenségeket idézhetnek elő, amelyek nem egyszerű túlterhelést okoznak, hanem az UPS védelmi működését is kiválthatják. Ezeket a berendezéseket már a tervezési szakaszban azonosítani kell, mivel a teljesítmény növelése önmagában nem feltétlenül jelent megoldást.

DC komponenst visszatermelő fogyasztók

Egyes régebbi, jellemzően tirisztoros áramirányítóval működő berendezések egyenáramú (DC) komponenst juttathatnak vissza az UPS kimenetére.

Az erre érzékeny UPS-ek védelme már kis DC komponens esetén is működésbe léphet, ami a kimenet letiltását eredményezheti.

A probléma megfelelő transzformátoros leválasztással kezelhető. A leválasztó transzformátor megakadályozza, hogy a fogyasztó által létrehozott DC komponens közvetlenül az UPS kimenetére jusson.

Visszatápláló motorok és hajtások

Más jellegű problémát jelentenek azok a fogyasztók, amelyek bizonyos üzemi állapotokban energiát táplálnak vissza a hálózat felé. Ilyenek lehetnek például a fékező villamos hajtások, amelyek szerszámgépekben, liftekben vagy darukban működnek.

Fékezéskor a motor generátoros üzembe kerülhet, és a keletkező energia visszajuthat a tápláló rendszerbe. Amennyiben ezt az energiát a többi fogyasztó nem használja fel, és nincs megfelelő visszatáplálás-kezelés, az UPS védelme letilthatja a működést.

Az ilyen fogyasztói körök esetében különösen fontos a terhelési viszonyok vizsgálata. A helyszíni műszeres mérések segítenek feltárni a visszatáplálás mértékét és azokat az üzemi állapotokat, amelyek az UPS működését veszélyeztethetik.

6. Az akkumulátortöltési képesség szerepe az UPS kiválasztásában

Az UPS teljesítményének meghatározásakor az akkumulátor rendszer követelményeit is figyelembe kell venni, különösen akkor, ha hosszú áthidalási időre van szükség.

A nagyobb akkumulátor kapacitás megfelelő töltési teljesítményt igényel. A kisebb teljesítményű UPS-ek akkumulátortöltő kapacitása általában korlátozottabb, ezért előfordulhat, hogy a kívánt akkumulátor rendszerhez nagyobb UPS vagy külön töltési megoldás szükséges.

A töltési képesség megválasztásánál nemcsak az akkumulátor kapacitását, hanem a megengedett töltőáramot és az elvárt újratöltési időt is figyelembe kell venni.

Az akkumulátor méretezése tehát szorosan kapcsolódik az UPS kiválasztásához, ugyanakkor önálló tervezési feladat. A megfelelő áthidalási idő meghatározásához a fogyasztói terhelés, az akkumulátor technológiája és az üzemeltetési követelmények együttes vizsgálata szükséges. A hosszú távú megbízhatóság szempontjából pedig az UPS akkumulátorok leggyakoribb hibáival is érdemes tisztában lenni.

Segítünk a megfelelő UPS rendszer méretezésében

A megfelelő UPS kiválasztásához a fogyasztói teljesítmény mellett a tényleges üzemi körülményeket is ismerni kell. A tranziens terhelések, a fázisaszimmetria, a visszatápláló fogyasztók és a későbbi bővítési igények egyaránt befolyásolhatják a szükséges rendszer kialakítását.

A Balmex szakemberei szaktanácsadás keretében segítenek a fogyasztói igények felmérésében, szükség esetén műszeres vizsgálatokat végeznek, és javaslatot tesznek az adott alkalmazáshoz megfelelő UPS rendszerre.

Akár új szünetmentes áramellátó rendszer tervezéséről, akár meglévő berendezés bővítéséről van szó, kérje szakértőink segítségét a megfelelő műszaki megoldás kiválasztásához!