Diagnostika a monitorování bateriových systémů a UPS
 | ||||||
| Diagnostika a monitorování bateriových systémů a UPS Ing. Václav Straka, TMV SS spol. s r. o. Bateriové systémy a UPS (Uninterruptible Power Supply, zdroj nepřerušitelného napájení) jsou zařízení, na nichž zásadně závisí bezporuchový a především bezpečný provoz důležitých strojů a systémů napříč všemi oblastmi, které nutně vyžadují nepřetržitou dodávku elektrické energie. Z tohoto důvodu je důležité vědět, v jakém stavu záložní zdroj je a je-li schopen dodávat potřebné množství energie po požadovanou dobu. To lze zjistit periodickým testováním a simulací. Testování je kromě toho důležité i z hlediska údržby zdroje a ověření jeho životnosti, popř. naplánování jeho výměny či opravy. Je rovněž dobrým vodítkem i pro provozovatele baterie či UPS při plánování investic na náhradu nebo generální opravu podle skutečně zjištěného stavu, nikoliv jen podle tabulkových hodnot.  Obr. 1. Pokles napětí v průběhu zatěžování konstantním proudem Testování schopnosti dodávat elektrickou energii lze obecně rozdělit na metody:
 Obr. 2. Grafické znázornění napětí na vybraných článcích baterie Statické testování Je vhodné převážně jen pro baterie. V rámci testu se měří jednotlivé články baterie. Pro toto měření je vhodné používat záznamník dat (datalogger) s příslušnou sondou. Výhodou uvedené metody je jednoduchost sběru dat a nevýhodou skutečnost, že se nejslabší články nemusí projevit dostatečně výrazně, jsou-li data sbírána na nezatížené baterii. U zatížené baterie je bez jejího současného dobíjení naopak nutné kompenzovat celkový pokles napětí v průběhu zatěžování (obr. 1). V rozsáhlejším souboru baterií trvá sběr dat řádově jednotky až desítky minut, takže případná odchylka od skutečného stavu není výrazná. Doporučuje se vytvořit si databanku měření a aktuální stav baterie porovnávat s předchozími měřeními na téže baterii, popř. na typově shodných bateriích. Standardem by mělo být digitální zpracování naměřených údajů, včetně grafu (obr. 2) a možnosti exportu dat ve formátu ASCII nebo XLS.  Obr. 3. Grafická závislost mezi kapacitou baterie a fází životnosti Dynamické testování Při této metodě se využívá simulace skutečných provozních stavů, tj. odběr konstantního proudu či výkonu po určitý časový interval. Test je specifický tím, že by měl být pouze simulovaný (pro případ, že by nastala porucha baterie či UPS). Proto nelze použít reálné spotřebiče, ale externí proměnnou (ideálně automaticky řízenou) zátěž o dostatečné velikosti, tj. s dostatečně velkým proudem (v závislosti na napětí a kapacitě zdroje). Kapacitní zkouška je v podstatě jediným způsobem, jak zjistit kapacitu baterie, popř. schopnost jiného záložního zdroje trvale dodávat požadovaný proud či výkon. V případě baterií je touto metodou možné stanovit i fázi předpokládané životnosti konkrétní baterie, neboť všechny baterie vykazují stejnou závislost mezi skutečnou kapacitou a provozní životností. Při dodání je skutečná kapacita baterie asi 90 až 95 % jmenovité kapacity, po uplynutí 60 % doby života vzroste na přibližně 110 % jmenovité kapacity, nato poměrně strmě klesá a po uplynutí 100 % předpokládané doby života činí již jen 80 % jmenovité kapacity. Je-li baterie provozována nad předpokládanou dobu životnosti, lze předpokládat další poměrně strmý pokles její kapacity (obr. 3). Kapacitní test tedy umožňuje prokázat nejen skutečnou kapacitu baterie, ale i poměrně přesně fázi její předpokládané životnosti; to je důležité z hlediska plánování nejen pro uživatele, ale i pro dodavatele.
Obr. 4. Přístroj Torkel řady 800 K měření při zátěžových testech na bateriích a UPS až do napětí 440 V se značnými vybíjecími proudy (24 V/270 A, 48 V/270 A, 120 V/110 A, 240 V/55 A, 440 V/38 V) lze využít např. přenosný kompaktní přístroj Torkel řady 800 (obr. 4), který lze doplnit i externími zátěžovými jednotkami (řízenými i neřízenými) zvyšujícími proudový rozsah při testování. Přístroj je vybaven automatickými funkcemi stopu (ukončení testu při poklesu baterie na určitou hodnotu, vybití určité kapacity baterie či časové vymezení práce přístroje) a umožňuje přenos údajů o průběhu testu do externího počítače pro hlubší analyzování nebo protokolování. K tomu je určen speciální software TorkelWin (obr. 5). Přístroj lze použít nejen k testování baterií, ale i pro testování schopnosti dodávky proudu z jiných UPS nebo k ověřování dobíjecích systémů.  Obr. 5. Software TorkelWin Torkel 800 však neposkytuje obraz o vývoji napětí na jednotlivých článcích. K tomu lze použít přístroj CRM 2010 (s již zmíněnými problémy s kompenzací celkového poklesu napětí) nebo např. přístroj TMC 4001d (obr. 6), který bude po dobu testu permanentně připojen k baterii a snímat data z jednotlivých článků ve stejném systémovém čase během zatěžování baterie (obr. 7). Tato data jsou dále ukládána do počítače a následně vyhodnocována, včetně napěťových profilů v různých časech. Výhodou uvedené metody je možnost sledovat parametry jednotlivých článků baterie pod zátěží; to umožňuje identifikovat nejslabší články, popř. získat další údaje o baterii, včetně možností grafického porovnání vývoje baterie za provozu (obr. 8) nebo analyzování napěťového profilu v daném časovém úseku společně s další analýzou dat. Zajímavou novinkou je ruční systém CELLizer™ CRM 2010. Je to přenosný měřicí přístroj (obr. 9) s uživatelsky příjemnými funkcemi, který je určen pro komplexní diagnostiku a řízení bateriových systémů. Integrované zobrazovací funkce jsou ideální pro inspekci všech druhů baterií, včetně automobilových. Je možné přímo určit startovací proud baterie podle zobrazených proudových a napěťových křivek. Obr. 7. Zapojení přístroje TMC 4001d pro test
Přístroj CM 9010 (obr. 10) se systémem CELLizer-monitoring je konstruován podle požadavků současných trendů v monitorování baterií a permanentně sleduje v nezatíženém stavu a při vybíjení i nabíjení baterie, vyhodnocuje funkčnost baterie a upozorňuje na závady celé baterie. Systém CELLizer-monitoring je standardně vybaven operačním systémem Linux a integrovaným rozhraním Ethernet. Každá monitorovaná baterie obdrží vlastní domovskou stránku, která je zobrazitelná prostřednictvím standardního internetového prohlížeče. Jako signál o dosažení poruchových podmínek sledované baterie může systém automaticky zaslat e-mail i několika adresátům. Provozní a poruchová hlášení jsou indikována také místně prostřednictvím diod LED. Standardní je i komprimované ukládání naměřených hodnot a událostí přímo do monitorovacího systému. Systém CELLizer-monitoring může současně sledovat až dvě baterie pomocí jednoho hardwarového modulu. Měření odporu je založeno na firemní patentované metodě securePULSE™. Na článek je aplikován elektronicky řízený proudový puls a odpor je vypočítán z proudového pulsu a výsledné křivky napětí. Tato metoda je extrémně stabilní proti rušení. K záložním zdrojů je třeba přistupovat s vědomím jejich důležitosti a věnovat jim péči odpovídající jejich významu, včetně testování. Jestliže jsou závada na nich nebo celková nefunkčnost objeveny až v okamžiku jejich použití, většinou již bývá pozdě. Další informace mohou zájemci získat na adrese: TMV SS spol. s r. o. | ||||||
Firemní patentovaná technologie na měření vnitřního odporu securePULSE™, kterou tento přístroj využívá, umožňuje bezpečné a spolehlivé měření odporu v obvodech stacionárních a automatizovaných aplikací. Všechny naměřené hodnoty lze zobrazit na grafickém displeji přímo v místě zkoušky. Na baterii je aplikována lineární proudová rampa, a řízená změna velikosti proudu tak dosahuje v průběhu 20 až 100 ms až 50 A. Vnitřní odpor je vypočítán na základě proudové rampy a výsledné napěťové křivky. Tato metoda je extrémně spolehlivá a odolná rušení. CRM 2010 nejen řídí proudovou rampu, ale systém současně sleduje vývoj vnitřního odporu článku v průběhu zvyšování hodnoty proudu. Zvýší-li se neočekávaně odpor, generování proudu je okamžitě ukončeno. Tato funkce je v podstatě elektronickou pojistkou – zabraňuje možné explozi článku v průběhu testu. Metoda securePULSE™ tak výrazně zvyšuje bezpečnost při testování baterií a umožňuje přesné měření vnitřního odporu baterie za použití řízeného proudového pulsu. Kompletní software pro řízení baterií je součástí dodávky každého systému CRM 2010 a je kompatibilní s již existujícími databázemi přístrojů TMC.
