Komplexní řešení záložního napájení společnosti Kumer 2018

Trvalé napájení elektrickou energií je pro některé aplikace klíčovým požadavkem. Vzhledem k nikoliv stoprocentní spolehlivosti energetické sítě je jediným možným řešením použít záložní zdroj.

Společnost Kumer se zabývá dodávkami záložního napájení od roku 1992. Zajišťuje komplexní řešení napájecích systémů zahrnující návrh, prodej, servis i pravidelné prohlídky. V sortimentu naleznete tyristorové, spínané, modulární, kondenzátorové, DC i AC systémy záložního napájení.

Obr. 1. Blokové schéma dvou záložních zdrojů v zapojení master-slave

Napájecí zdroje Schuster

Společnost Kumer, jako výhradní dodavatel napájecích zdrojů předního německého výrobce značky Schuster, představuje záložní průmyslové střídavé zdroje, které jsou nasazovány v širokém spektru průmyslových provozů. Zvláštní aplikací je napájení železničních přejezdů.

I přes tlak posledních let na zmenšování výrobků o co největší hustotě výkonu na jednotku objemu si střídače Schuster udržují svoji pozici na poli průmyslu. Je to dáno především těmito atributy:
– Dobře řešené chlazení přístrojů, Schuster používá výrobní prvky lehce předimenzované, tak jako rozměry vlastní přístrojové skříně. Tím je dosaženo pasivního chlazení bez ventilátorů, díky čemuž jsou tyto zdroje zcela bezúdržbové.
– Zdroje Schuster jsou vždy přístupné zepředu a jsou proto snadno servisovatelné a díky jednoduchému zobrazení stavů jsou i uživatelsky přívětivé.
– Díky master–slave provozu dvou jednotek namísto klasického paralelního zapojení představují zdroje Schuster absolutní špičku ve spolehlivosti napájecího systému.

O stavech systému se provozovatel může dozvědět více způsoby

V průmyslu je stále nejžádanější komunikace pomocí bezpotenciálových kontaktů – reléových výstupů připojených na dispečink. Dále je zařízení kompatibilní se sběrnicovými komunikačními systémy typu Profibus či Modbus. Existuje též možnost dálkově upravovat provozní hodnoty jako např. nabíjecí proud, úroveň nabíjecího napětí či spouštět bateriový test. Alternativou místní i vzdálené komunikace je 7" dotykový displej se čtyřmi možnostmi zobrazení: blokovým schématem, aktuálními stavy a poruchami, hodnotami výstupního napětí a proudu a archivem poruch, který lze navíc automaticky ukládat na vyjímatelný flash disk ve formátu xls, takže lze s daty dále pracovat. Údaje zobrazené na LCD lze v té samé podobě zobrazovat i na vzdáleném PC (obr. 2).

Obr. 2. Obrazovky dálkové diagnostiky Kumer

Zajímavým výrobkem v nabídce je speciální střídač, který je nasazován pro napájení třífázových spotřebičů s velkým spouštěcím proudem – motorových zátěží. Jeho přetížitelnost činí 700 %, a tudíž je schopen překonat počáteční vysoké rozběhové proudy.

Hybridní DC a AC zdroj

Alternativou ke střídačům firmy Schuster je v nabídce společnosti Kumer tzv. hybridní DC a AC zdroj (obr. 3). Jde o spínaný zdroj moderní modulární konstrukce, jenž poskytuje jak střídavé, tak i stejnosměrné napětí. Je často využíván jako střídač, ovšem dokáže toho mnohem více.

Obr. 3. Topologie hybridního modulu

Vstupem může být buď DC či AC napětí, výstupem je opět DC či AC napětí případně obojí. Lze jej použít jako střídač i usměrňovač, případně při využití AC vstupu i výstupu lze získat kondicionér sítě, neboť uvnitř modulu dojde k usměrnění střídavého vstupního napětí na napětí DC sběrnice 400 V DC a k následné přeměně na střídavé napětí 230 V AC, které je ve fázi s napětím vstupním, má však čistý sinusový průběh a přesnou hodnotu napětí 230 V (obr. 4). Jestliže je na DC svorky připojena baterie, je na AC výstupu poskytnuto zálohované napětí 230 V AC, takže systém funguje jako modulární UPS.

Obr. 4. Zjednodušené vnitřní zapojení hybridního modulu

Obr. 5. Hybridní modul AC a DC napětí

Moduly mají výkon 1,5 kV·A a lze je skládat do větších celků pro vytvoření výkonných i redundantních zdrojů, a to i třífázových. Zajímavá je přetížitelnost těchto modulů. Každý modul poskytuje 600 % jmenovitého proudu po dobu 20 ms, což zajišťuje vybavení běžně používaných jističů. 133 % výkonu jsou moduly schopné poskytnout až 15 vteřin. Jednotlivé moduly jsou vkládány do 19" racků. Tyto 19" racky je možné dále vkládat do skříní, které spolu se svorkami, jisticími přístroji a dalšími prvky tvoří samostatné hotové zdroje.

Obr. 6. 19‘‘ 1U rack obsahující čtyři hybridní moduly o celkovém výkonu 6 kV·A

Kondenzátorové záložní zdroje

V okamžiku výpadku napětí v distribuční síti musí záložní systém získat energii z jiného energetického zdroje, než je síť. Nejčastějším zdrojem energie je baterie, tvořená galvanickými články. Jiným způsobem může být uchování energie v podobě kinetické energie rotujícího setrvačníku (rotační UPS) případně může být energie získávána pomocí dieselgenerátoru, kde je energie uchována v naftě ve formě chemické vazby kapalných uhlovodíků. Zde se však budeme bavit o jednodušším způsobu akumulace energie, a to konkrétně pomocí kondenzátorů, přesněji superkondenzátorů, kde je energie uložena ve formě elektrického náboje, což samo o sobě určuje velmi snadnou přeměnu na energii elektrickou.

Stejnosměrný záložní kondenzátorový zdroj (obr. 7) je v principu kondenzátor vybavený DC/DC měničem, který se stará o jeho dobíjení a vybíjení. Při dobíjení je třeba měničem zajistit, aby proud odebíraný ze vstupu nepřekročil určitou úroveň, a při vybíjení měnič zajišťuje konstantní napětí na výstupu při vybíjení kondenzátoru. Tyto stejnosměrné UPS se zapojují jednoduše mezi stejnosměrný přívod a spotřebič. V nabídce jsou i zdroje, které obsahují na vstupu jedno- či třífázový usměrňovač, takže je možné je připojit na AC síť a na svém výstupu poskytnou zálohované DC napětí.

Obr. 7. Stejnosměrný kondenzátorový záložní zdroj

Topologie střídavého kondenzátorového záložního zdroje (obr. 8) je stejná jako topologie on-line UPS. Je zde využita dvojí konverze, takže je energie vedena přes usměrňovač, DC meziobvod a střídač. K DC meziobvodu jsou připojeny přes obousměrný DC/DC měnič superkondenzátory.

Obr. 8. Střídavý kondenzátorový záložní zdroj

Kondenzátorové záložní zdroje mají ve srovnání s těmi bateriovými řadu výhod i pár nevýhod. Nejpodstatnější výhodou kondenzátorové UPS je životnost zařízení. U bateriové UPS je nejkritičtějším místem právě akumulátor, jehož životnost se pohybuje nejčastěji v rozmezí od 4 do 15 let, přičemž je tato životnost podmíněna teplotou okolního prostředí, která by neměla překračovat 20 °C. Životnost superkondenzátorů je 20 let při teplotě 35 °C a celková technická životnost je tedy dána běžnou životností ostatní obsažené elektroniky.

S tím souvisí i odolnost vůči vysokým teplotám. U olověných baterií je typický nevratný pokles kapacity 20 % při vzrůstu teploty o každých 5 °C. Závislost životnosti superkondenzátoru na teplotě je patrná na obr. 9.

Obr. 9. Závislost životnosti superkondenzátoru na teplotě

Bateriové UPS pro provozovatele představují zátěž ohledně servisních prohlídek, které je třeba periodicky provádět za účelem ověření stavu baterií, u kondenzátorových UPS toto odpadá. S tím souvisí i spolehlivost, neboť chemické poměry akumulátorů nelze předvídat a náhlý kolaps akumulátoru není ničím neobvyklým.

Dále jmenujme mnohonásobně vyšší počet cyklů vybití a nabití, menší zátěž pro životní prostředí, možnost umístění v hermeticky těsných obalech, menší hmotnost, rychlejší nabití a možnost uskladnění ve vybitém stavu.

Stejně jako vše ostatní, i kondenzátorové UPS mají své nevýhody. Tou nejvíce omezující je fakt, že doba zálohy nedosahuje doby zálohy bateriových UPS. Nelze tedy ve všech případech nahradit konvenční UPS těmi kondenzátorovými. Běžná základní doba zálohy bateriových UPS se při plném výkonu pohybuje v řádu jednotek minut. U kondenzátorových UPS jsou to řádově vteřiny.

Vzhledem k nižší době zálohy jsou tyto záložní zdroje určeny pro překlenutí krátkých výpadků napájení. Uplatnění nalézají zejména v oblasti průmyslové automatizace, například při zálohování PLC a jiných součástí výrobních linek včetně aplikací, kde je potřebné zajistit bezpečné ukončení procesu při blackoutu. Vzhledem k vlastnostem zmíněným výše jsou kondenzátorové UPS vhodné i v těch aplikacích, kde životnost nebo spolehlivost bateriové UPS naráží na limity své technologie.

V nabídce společnosti Kumer jsou DC záložní 24 V zdroje s následujícím rozsahem parametrů:
– proudová zatížitelnost: 3 až 20 A,
– energetická kapacita: 0,5 až 20 kJ,
– vstupní napětí: 24 V DC, 230 V AC, 3× 400 V AC,
– výkon střídavých kapacitních UPS začíná na 700 V·A a končí na 600 kV·A.

Ceny těchto UPS jsou v porovnání s těmi bateriovými na první pohled vyšší. Při podrobnějším zkoumání však v případech, kde není požadována dlouhá doba zálohy, mohou kapacitní UPS přinést i finanční úsporu, neboť úspory za prohlídky a výměny baterií spolu s vyšší spolehlivostí přinášejí výrazné snížení provozních nákladů záložního systému.

---

Vyšlo v časopise Elektro č.10/2018 na straně 26.
Tištěná verze – objednejte si předplatné: pro ČR zde, pro SR zde.
Elektronická verze vyšlých časopisů zde.