Kompromisszummentes szünetmentes áramellátás dinamikus UPS rendszerekkel

A kor szellemének megfelelő félvezető alapú, azaz statikus szünetmentes áramellátó berendezés, angol rövidítéssel UPS, többé-kevésbé közismert eleme a modern áramellátó megoldásoknak. Sokan tudják azt is, hogy a szünetmentes AC áramellátás a félvezetők előtti korban villamos forgógépekkel, azaz dinamikus UPS-ekkel valósult meg.

A dinamikus UPS technika természetesen ma is létezik és a prémium igényű, professzionális fogyasztók ellátásában használatban áll. Ezzel ugyanis nagy teljesítmény és magas ellátási minőség biztosítható, és könnyen integrálható dízel aggregáttal, tehát a szünetmentes tápegység áthidalási idő jelentősen kitolható. A dinamikus UPS technológiának olyan előnyei vannak, amit a félvezetős ipari és IT szünetmentes tápokkal ma még nem tudnak elérni vagy nem gazdaságosan, a korábbi hátrányokat pedig sikerült teljesen kiküszöbölni. Ebben a cikkünkben egy áttekintést adunk erről a kiváló technikáról a Balmex Kft. által kínált Piller gyártmányú:

• UNIBLOCK gépegység,
• UNIBLOCK R rendszer,
• UNIBLOCK T rendszer és
• a dízel-dinamikus rendszereken keresztül.

Az UNIBLOCK dinamikus UPS gépegység

A szünetmentes tápegység áthidalási idején kívül is aktív, dinamikus rendszer lényegét adó forgógép egység – egy közös forgórészű szinkron motor-generátor egységből áll – alap kialakításban függőleges tengelyelrendezésű, ami helytakarékos építkezést és hosszú csapágyélettartamot eredményez.

A csapágyak elektronikusan felügyeltek, karbantartásigényük csekély, féléves gyakoriságú. A korszerű mechanikai kialakítás lehetővé teszi a gyors helyszíni csapágycserét, amire körülbelül 12 évente kell sort keríteni.

Az UNIBLOCK gépegység felépítése

A kefementesen kialakított gerjesztés szabályozás eredményeképpen a gépegységben nincs kopó alkatrész. A gép tengelyére szerelt ventilátor a gépen túl a teljes rendszert is hűti, ez nagyfokú megbízhatóság növekedést és halkabb működést, kisebb légzajt eredményez. A motor és a generátor tekercselés egymástól galvanikusan elválasztott. A gépegység egyszerű robosztus kialakítása rendkívüli megbízhatóságot eredményez, soros rendszer-elemként kompromisszum-mentesen használható.

Az UNIBLOCK R dinamikus UPS rendszer

Egy belsőleg redundáns kialakítású rendszer, amelynek megbízhatósága – MTBF > 600 000 h – nagyobb, mint két párhuzamos statikus UPS megbízhatósága. A rendszer az ábrán jelölt módon négy „biztonsági” szinttel rendelkezik, táplálása lehet közös, más néven egyszeres, vagy kettős.

Az UNIBLOCK R rendszer kapcsolási rajza

Sárga (4)

A hálózati betápok kiesése esetén, a szünetmentes tápegység áthidalási ideje alatt a fogyasztók táplálása az akkumulátor-inverter- UNIBLOCK gép útvonalon keresztül valósul meg. Átkapcsolás nincs, az inverter egyszerűen üresjárásból terhelt állapotba kerül. A választott akkumulátor kapacitása szabja meg az áthidalási időt.

Kék (3)

Alapállapotban az egyenirányító folyamatosan tölti az akkumulátorokat, az inverter üresjárásban szinkron jár az UNIBLOCK gép bemenetével. Az egyenirányító-inverter vonal névlegesen terhelhető alternatív energia útvonalat jelent, tehát beépített redundanciaként viselkedik. Ez az energia útvonal érvényesül akkor is, ha a bejövő hálózati frekvencia kilép a megengedett tűrésből, tehát a fogyasztót függetleníteni kell a hálózati frekvenciától.

Zöld (2)

Alap üzemállapot. A fogyasztókat a tirisztor kapcsolón keresztül a hálózatról táplált UNIBLOCK gép látja el. A kimenet generátoros szinusz, a fogyasztói felharmonikusokat a gépegység 99 %-os hatékonysággal szűri. A gerjesztés szabályozás állandó kimenő feszültséget biztosít. A rendszer túlterhelhetősége kiváló, crest faktora közel végtelen. Fogyasztói zárlat esetén 14-szeres árammal, tehát gyakorlatilag hálózat azonos módon tudja kioldani a fogyasztói biztosítót, nem igényli bypass ágon keresztül a hálózat segítségét. A gép saját tehetetlensége – mágneses és mechanikai – a néhány 10 msec-os hálózati kieséseket önállóan áthidalja.

Szürke (1)

Tartalék, illetve szükség redundancia. Automatikus bypass egység, szerepe leginkább a karbantartásoknál jelentkezik.

Megbízhatóság

Legfőbb hordozói:

• a robosztus UNIBLOCK gépegység,
• a belső rendszer-technikai felépítés (belső redundancia),
• a redundáns vezérléstechnika (a teljesítmény-elektronikai egységek önálló vezérlései),
• a robosztus és egyszerű teljesítményelektronika (mindhárom egység a legegyszerűbb természetes kommutációjú tirisztorhidakból épül fel).

Az UNIBLOCK T dinamikus UPS rendszer

Az ipari nagyfogyasztók igényének fokozódása további fejlesztéseket indukált. Még nagyobb megbízhatóságú és még jobb hatásfokú energiatároló kellett, valamint meglévő fogyasztói elosztóhálózatot kell tudni kiszolgálni.

A kialakított UNIBLOCK T rendszer egyedülálló megbízhatóságot ért el – MTBF> 1 300 000 h. Hatásfoka kiemelkedően jó, teljesítménytől függően egészen 96%-ig terjed. A szünetmentes tápegység áthidalási idejét szolgáló energiatárolás akkumulátorok helyett dinamikus energiatárolóval valósul meg. Kimenő paraméterei – feszültség, felharmonikus szűrés, túlterhelhetőség, zárlati áramképesség – a korábbi rendszer paramétereivel egyezőek. Ami még fontos, hogy a bemenő oldalon szinuszos áramfelvételű, tehát visszahatás mentes a rendszer.

Működés

Alapállapotban a hálózat a „mágikus” fojtó rendszeren keresztül táplálja a fogyasztókat és közben az UNIBLOCK gépen keresztül „tölti” a POWERBRIDGE energiatárolót. A fojtó rendszer kialakítása – az induktivitások és csatolások – olyan, hogy mindenkor teljesül az UF = UG egyenlőség. Tehát a fogyasztó az UNIBLOCK gép szabályozott paramétereit látja.

Hálózatkimaradáskor, illetve ha a hálózat a beállított paramétertűrésből kilép, az energia a POWERBRIDGE – áramirányítók – UNIBLOCK gép – fojtó útvonalon jut a fogyasztókhoz a szünetmentes tápegység áthidalási ideje alatt. Átkapcsolás nincs, hiszen az UNIBLOCK gép a hálózattal szinkron jár.

Az UNIBLOCK T rendszer kapcsolási rajza

Az áramirányítók egy közbenső DC körös csatolással biztosítják, hogy az energiatároló üzemállapottól függő különböző fordulatszáma, frekvenciája ne okozzon a rendszerben problémát. A megbízhatóság érdekében ezek redundáns, azaz kettőzött kialakításúak.

Az alkalmazott POWERBRIDGE energiatároló egy függőleges tengelyű lendkerék, a tengelyén egy villamos szinkron géppel. Ez lehetővé teszi az energia villamos úton való betöltését és kivételét. A tároló érdekessége, hogy a súrlódási veszteségek csökkentése érdekében hélium töltésű, a csapágyak terhelésének csökkentése pedig mágneses emeléssel történik.

A tárolt energia mennyiség 16,5 MWs, ami a rendszer teljesítményétől – 150 – 1670 kVA – függően 120 – 12 sec szünetmentes áthidalási időt biztosít. Ezáltal a berendezés a rövid idejű hálózat kimaradásokat saját maga áthidalja és még a legrövidebb áthidalási idő is elegendő egy dízel aggregát felfuttatásához és a terhelés átadásához.

A tároló előnye, hogy:

• nem öregszik,
• nem hőmérséklet érzékeny,
• töltöttsége mindenkor pontosan ismert,
• nincs váratlan kiesés és
• élettartama 25-30 év.

Dízel-dinamikus UPS rendszerek

Kézenfekvő megoldás, hogy nagy teljesítmények esetén már nem akkumulátor hegyeket alkalmazunk a hálózat-kimaradás szünetmentes áthidalására, hanem dízel aggregátot.

A dinamikus UPS esetén már van egy, sőt kettő generátorunk, lássuk milyen előnnyel jár, ha ezt kihasználjuk. Előre bocsátjuk, a megoldás úgy az R mint a T rendszernél használható.

Működés

A megoldás lényege, hogy az UNIBLOCK gépegységet egy túlfutó tengelykapcsolón (K) keresztül egy dízelmotor tengelyére csatlakoztatjuk, természetesen módosított fekvő kivitelben. Az egyéb villamos kötések változatlanok.

A dízel-dinamikus rendszer egy lehetséges kapcsolási rajza

Alapállapotban, azaz ameddig van hálózati áramellátás, a dízelmotor áll, a rendszer többi része pedig a korábban leírt módon működik. A rövid hálózat-kimaradásokat a rendszer a dízelmotor indítása nélkül kezeli. Hosszabb kimaradás esetén, ha a szünetmentes tápegység előre beállított áthidalási ideje lejárt, a motor parancsot kap az indulásra és üresen felfut.

Fontos hangsúlyozni, hogy a dízel tengelyét a felfutás alatt semmilyen tehetetlen tömeg, például generátor nem terheli.

A megfelelő dízel fordulat elérésekor a motor összekapcsolódik az UNIBLOCK gép tengelyével és elkezdi azt hajtani. Ezt követően a vezérlő elektronika a terhelést az energia tárolóról lágyan „átúsztatja” a dízel tengelyére. A felfutás és terhelés átadás dízelmotortól függően 5 és 9 sec között zajlik le.

A rendszer az ábrán látható módon, egy beépített átkapcsolón keresztül egy második kimenettel is ellátható. Erre a második kimenetre lehet kötni az egyéb hagyományos dízeljogos fogyasztókat mint például a klímák.

A dízel-dinamikus berendezés kevesebb alkatrésszel és vezérelt terhelés átadással valósítja meg az áramellátó rendszert, ezáltal megbízhatósága lényegesen magasabb, mint a hagyományos rendszereké. További kiemelendő előnye, hogy kisebb helyszükséglettel telepíthető.

Befejezésül

A bemutatott dinamikus rendszerek teljesítmény tartománya: 150 kVA – 1670 KVA. A bemutatott berendezések a legfelső kategóriát képviselik, osztott digitális vezérlésűek, a felhasználónak a ma elvárt teljes kezelési-szolgáltatási skálát kínálják. A kialakítás szempontja az igazán kényes fogyasztók igényeinek kielégítése volt a szünetmentes tápegység szolgáltatta áthidalási idő alatt és normál hálózati ellátás idején egyaránt. Természetesen léteznek más kialakítású dinamikus rendszerek is, mindenképpen alapos tájékozódást javaslunk egy esetleges választás előtt, melyben szakembereink segítségére számíthat – forduljon hozzánk bizalommal!