Dinamikus UPS rendszerek és megoldások

A kor szellemének megfelelő félvezető alapú (statikus) szünetmentes áramellátó berendezés, – angol rövidítése az UPS – többé-kevésbé közismert. Köztudott az 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 használatos. Ennek a technológiának olyan előnyei vannak, amit a félvezetős rendszerekkel ma még nem tudnak elérni vagy nem gazdaságos, a korábbi hátrányait 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 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 másnéven egyszeres vagy kettős.

Az UNIBLOCK R rendszer kapcsolási rajza

Sárga (4)

A hálózati betápok kiesése esetén 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. Az 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” fojtórendszeren keresztül táplálja a fogyasztókat és közben az UNIBLOCK gépen keresztül „tölti” a POWERBRIDGE energiatárolót. A fojtórendszer 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. 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 áthidalást biztosít. Ezáltal a berendezés a rövid idejű hálózat
kimaradásokat saját maga áthidalja és még a legrövidebb 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 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 az előre beállított idő 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 terhelésátadással 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 teljesítménytartománya: 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. Természetesen léteznek más kialakítású dinamikus rendszerek is, mindenképpen alapos tájékozódást javaslunk egy esetleges választás előtt, melyben szakembereink segítségére számíthat!