Efectele utilizarii UPS-lor

Efectele si necesitatea utilizarii UPS-lor si a GrupurilorElectrogene pentru siguranta in alimentare la clienti

     Golurile de tensiune pot determina daune importante atunci când, datorită reducerii tensiunii şi a duratei relativ mari, are loc dezexcitarea contactoarelor sau a releelor de minimă tensiune, producând astfel întreruperi de scurtă durată.

     Întreruperile de scurtă durată pot să rezulte în urma operaţiilor de AAR, în reţelele de medie sau joasă tensiune şi de RAR, în reţelele de înaltă tensiune.

     Supratensiunile de trăsnet şi defectele de izolaţie conduc la apariţia unui număr important de goluri şi întreruperi de scurtă durată într-o reţea electrică, astfel că receptoarele sensibile la aceste perturbaţii pot să înregistreze daune inaccepta­bile.

     

O atenţie specială trebuie acordată consumatorilor care nu admit întreruperea în alimentarea cu energie electrică.

     Soluţiile actuale se bazează pe alimentarea se­parată a receptoarelor critice (sensibile la goluri şi întreruperi de scurtă durată) şi a celor la care daunele, relativ reduse, pot fi acceptate.

     Împărţirea în cele două tipuri de receptoare trebuie făcută cu atenţie deoarece realizarea unor surse neîntrerup­tibile implică importante costuri.

     Alimentarea receptoarelor critice se face de la reţeaua electrică prin interme­diul unor echipamente specifice (UPS -Uninterruptible Power Supply) care sto­chează energie şi o redau pe durata întreruperii. Sunt utilizate, în principal, două tipuri de asemenea echipamente:

  • cu stocare chimică a energiei (acumulatoare electrice);
  • cu stocare dinamică a energiei (volant mecanic).

    Echipamentele UPS sunt, în general, în proprietatea consumatorului şi asigură o alimentare neîntreruptibilă pentru receptoarele critice.

     Realizarea alimentării neîntre­ruptibile poate fi concepută însă şi ca serviciu pe care furnizorul de energie electrică îl poate asigura consumatorului şi, în acest caz, instalaţiile UPS sunt în proprietatea furnizorului.

     UPS – urile sunt utilizate în prezent ca surse de rezervă pentru sarcinile critice al căror timp de transfer trebuie să fie foarte scurt sau zero. Sistemele statice UPS sunt frecvent folosite în gama de la 200VA la 50 kVA (monofazat) şi de la 10 kVA la 4000 kVA ( trifazat ) pe lângă asigurarea unei surse de rezervă, în eventualitatea unei întreruperi în alimentare, UPS –urile sunt folosite şi pentru îmbunătăţirea locală a calităţii energiei electrice. Eficienţa UPS este foarte bună, având pierderi de energie între 3% şi 10% care depind de numărul convertoarelor utilizate şi de tipul bateriei de acumulatoare .

     Receptoarele utilizatorilor din punct de vedere al continuităţii alimentării cu energie electrică se împart în trei categorii:

  • receptoare standard;
  • receptoare preferenţiale (receptoare care acceptă întreruperi de scurta durată);
  • receptoare critice (care necesită continuitate în alimentarea cu energie electrică, care nu acceptă nicio întrerupere; din acestă categorie fac parte serverele, casele de marcat, calculatoarele, respectiv diverse procese tehnologice);

    Modernizarea ş icomplexitatea proceselor tehnologice necesită continuitate în alimentarea cu energie electrică şi în special datorită şi receptoarelor critice, astfel încât utilizatorii de energie electrică şi în special marii consumatori (conform Standardului de performanţă pentru serviciul de distributie a energiei electrice) trebuie  să-şi asigure continuitatea în alimentare cu energie electrică în cazul întreruperii energiei prin mijloace proprii (UPS, GrupElectrogen) .

      La solicitarea unui utilizator cu o putere aprobată de cel puţin 100 de kVA, Operatorul de distribuţie este obligat conform Standardului de Performanţă să negocieze includerea în contractul de distribuţie a unor prevederi speciale referitoare la continuitatea alimentării şi calitatea tehnică a energiei electrice.

     În momentul în care apare o întrerupere în amonte de consumatorii critici (respectiv postul de transformare, (fig. 1) întreruptorul deconectează automat alimentarea cu energie electrică de la operatorul de distribuţie, rămâne în funcţionare UPS-ul şi prin automatizare de la dispariţia tensiunii, porneşte grupul de rezervă (grupul electrogen), care asigură continuitate în alimentare cu energie electrică pentru toate receptoarele, care necesită continuitatea în alimentarea energiei electrică până la revenirea alimentării din reţea.

Fig. 1 Alimentarea neîntreruptibilă a consumatorilor critici prin intermediul UPS si Grup Electrogen

     În situaţia în care datorită excesului de energie reactivă în reţeaua de distribuţie , tensiunea creşte cu peste 10% din valoarea nominală ( respectiv peste 450 V) şi automatizarea deconectează alimentarea principală de la reţea, porneşte grupul electrogen care ar putea funcţiona pe o perioadă foarte mare. (fig. 1).

    Situaţiile de întrerupere în alimentarea cu energie electrică sunt extrem de dese la marii consumatori, producând serioase pagube utilizatorului, întreruperea procesului tehnologic conducând la costuri foarte mari privind capacităţile de producţie şi materialele rebutate.

     Este impetuos necesar asigurarea de către utilizator prin soluţii proprii, tehnologice sau energetice, inclusiv prin sursă de intervenţie pentru evitarea unor evenimente nedorite în cazul în care se întrerupe alimentarea cu energie electrică .

    În continuare este prezentată o detaliere a modului de funcţionare şi proprietaţile tehnice ale surselor de rezervă pentru sarcinile citice, respectiv echipamente specifice UPS .

     Orice UPS static este alcătuit din urmatoarele părţi funcţionale principale :

  • un redresor care are rolul de a transforma energia electrică alternativă în energie electrică continuă necesară încărcarii bateriei de acumulatoare şi alimentării invertorului ;
  • un set de acumulatoare( deregulăcuacidînconstrucţieetansă ) curol de stocare a energieielectrice;
  • un invertor (convertor static ) capabil să convertească energia electrică continuă energie electrică alternativă stabilizată si filtrată, necesară pentru alimentarea consumatorilor ;
  • un comutator ( bypass) static cu rol de comutare a ieşirii UPS-ului de pe reţea pe invertor şi invers.

Efectele-fig2

Fig. 2 Scheme bloc de funcţionare ale unui receptor critic:

a) alimentarea din reţeaua electrică ; b) alimentare din UPS .

     În conformitate cu standardul IEC / EN 62040-3, UPS –urile se clasifică în funcţie de tipul constructiv ( de topologie) întreicategorii :

  • UPS –uri pasive ( passive – standby ) ;
  • UPS –uri interactive ( line – interactive ) ;
  • UPS –uri dublă conversie .

      UPS –urile pasive au fost denumite anterior UPS-uri ‘’off line ‘’.

       Denumirea acestei topologii provine din faptul că sursa de tensiune stă ‘’de veghe’’ şi alimentează consumatorul din bateria de acumulatoare prin intermediul invertorului numai în situaţia căderii tensiunii reţelei. Aceste tipuri de UPS-uri au ca avantaje costul redus şi perturbaţii reduse în modul de funcţionare .

       Principalele dezavantaje constau în faptul că nu există izolare electrică între reţea şi consumator, nu protejează consumatorii de perturbaţiile reţelei de alimentare, neputând elimina variaţiile de tensiune şi de frecvenţă ( de unde şi denumirea alternativă de UPS-uri dependente de tensiune si frecvenţa VFD – Voltage and Frequency Dependent ) precum şi în faptul că au un timp de comutare relativ mare ( cca. 4 ms ), care uneori, poate afecta consumatorii mai sensibili.

     Schema bloc a unui astfel UPS pasiv în cele două moduri de funcţionare este prezentată în figura 2.

Efectele-fig3

Fig. 3 Scheme bloc de funcţionare ale unui UPS de tip VI interactive

a) la alimentare din reţeaua electrică ; b) la întreruperea alimentării principale

Efectele-fig4

Fig. 4 Scheme bloc de funcţionare ale unui UPS cu dublă conversie (VFI) – a) în prezenţa tensiunii reţelei ; b) în lipsa alimentării principale

       UPS –urile interactive au în locul modulelor distincte de tip redresor, invertor, filtru de retea şi regulator de tensiune distincte conţin un bloc unic redresor/invertor, care funcţionează în permanenţă ( atât timp cât există tensiune în reţea ), şi care este conectat în paralel cu sarcină.

       De asemenea blocul redresor / invertor are rolul de a încarca bateria de acumulatoare. Blocul redresor / invertor este prevăzut, de asemenea, cu circuite de filtrare a zgomotelor şi de reglare a tensiunii de ieşire (de unde şi denumirea alternativă de UPS-uri independente de tensiune .VI – Voltage Independent .

 Efectele-fig5

Fig. 5 Formele curbelor tensiunii şi curentului, valorile puterilor activă, reactivă şi aparentă, ale factorului de  putere şi spectrul armonic determinate pentru un UPS 1400 kVA având ca sarcină un ansamblu calculator ( desktop ) + monitor CRT.

 Efectele-fig6

Fig. 6 Formele curbelor tensiunii şi curentului, valorile puterilor activă, reactivă şi aparentă, ale factorului de putere şi spectrul armonic determinate pentru un UPS 30 kVA( produs MGE UPS SYSTEMS) care deserveşte o parte din echipamentele informatice de la un sediu de bancă.

     Principiul de funcţionare este practic identic cu cel al UPS-uri pasiv, asigurând însă o calitate mai bună a alimentării. În general sunt dotate cu regulatoare automate de tensiune( AVR ) – automatic voltage regulator, care monitorizează tensiunea de intrare. Când acesta iese dintr-un domeniu bine stabilit, regulatorul creşte sau scade tensiunea de ieşire a UPS-lui.

      Dacă tensiunea de alimentare scade sub nivelul acceptat de regulator, sursa comută consumatorul pe acumulatoare, pana la revenirea tensiunii de intrare în plaja acceptată.

      Aceste tipuri de UPS-uri au ca avantaje costul redus, nivel redus de perturbaţii în modul de aşteptare, faptul că ansamblul redresor/invertor este întotdeauna conectat în serie, alimentând în permanență consumatorul precum şi gradul de intervenţie mai mare decât al UPS –urilor pasive.

     Principalele dezavantaje sunt ale acestui tip de UPS, sunt lipsa de izolare electrică a consumatorului față de reţea, lipsa posibilităţii de eliminare a variaţiilor frecvenţei de ieşire, protecţia redusă la şocuri de tensiune ş ieficienţa slabă în cazul sarciniilor neliniare.

    UPS –urile cu dublă conversie (double conversion) au invertorul conectat în serie, fiind plasat între reţeaua de alimentare si ieşire, curentul electric care alimentează sarcina trecând permanent prin acesta.

    În funcţionare normală, sarcina este alimentată prin intermediul lanţului redresor- invertor care realizează o dublă conversie: tensiune alternativă – tensiune continuă (t.a. - t.c.) şi respectiv, tensiune continuă – tensiune alternativă (t.c.- t.a.).

 Atunci când tensiunea reţelei iese din parametrii prescrişi sau dispare, UPS-ul trece în modul de funcţionare cu energie stocată alimentând în continuare sarcină de la baterie prin intermediul invertorului. Funcţionarea în acest mod continuă până când tensiunea reţelei are parametrii doriţi, moment în care UPS-ul revine în modul de funcţionare normală.

     În general cu această topologie dispune de un bypass static (adesea numit şi comutator static). Acesta permite transferarea fară întrerupere a sarcinii pe o sursă de alimentare alternativă (de regulă tot reţeaua de alimentare); transferul efectuându-se în situaţii cum ar fi defectarea UPS –ului, apariţia fenomenelor tranzitorii în reţea, suprasarcini sau descărcarea bateriei de acumulatoare .

     Schema bloc a unui astfel de UPS cu dublă conversie în cele două moduri de funcţionare , în prezenţa tensiunii reţelei a) şi b) în absenţa tensiunii reţelei este prezentată în figura 4.

     UPS-urile cu dublă conversie prezintă o serie de avantaje importante :

  • sarcină este protejată permanent de către invertor ;
  • există separare electrică a sarcinii de reţeaua de tensiune alternativă, ceea ce asigură protecţia la perturbaţii cum ar fi supratensiunile, perturbaţiile electrice sau şocurile ;
  • funcţionează la variaţii importante ale tensiunii de intrare şi asigură o bună stabilizare a tensiunii de ieşire ;
  • asigură o foarte bună stabilizare a frecvenţei de iesire, şi dă posibilitatea utilizării UPS-ului pe post de convertizor de frecvenţă ;
  • timpul de comutare este foarte mic (transferul sarcinii se face practic instantaneu) .

     Dezavantajul acestor UPS-uri îl reprezintă costul ridicat UPS-urile cu dublă conversie sunt utilizate în cele mai multe situaţii în care este nevoie să se alimenteze consumatorii sensibili sau cu o putere mai mare ( peste 10 kVA ).

     UPS-urile (indiferent de tipul sau de mărimea lor ) îşi bazează funcţionarea pe dispozitive numite generic electronică de putere. În absenţa unor măsuri de atenuare adecvate, acest tip de echipamente se numără printre cele mai cunoscute surse de poluare electromagnetică .

     În figurile 5 si 6 sunt prezentate rezultatele măsurătorilor efectuate pe două UPS-uri de puteri diferite, care atestă puternică deformare a curentului precum şi conţinutul foarte bogat în armonici al acestuia .

      În ambele cazuri se observă o valoare crescută a armonicelor de rang 3 şi de rang 5, în figura 5, armonica de rang 3 reprezentând 50% în raport cu fundamentala, iar armonica 5 reprezintă 35 %, în raport cu fundamentala.

     Consecinţele întreruperii tensiunii la consumator, conduc de cele mai multe ori la încetarea procesului de producţie, proces care se reia ulterior după o bună perioadă de timp.

     Orice întrerupere de câteva secunde poate stagna procesul tehnologic al consumatorilor de la câteva minute la câteva ore, astfel încât este strict necesar ca utilizatorul de energie electrică să deţină alimentări de siguranță pentru alimentarea continuă pentru receptoarele critice, respectiv : UPS-uri , Grupuri Electrogene.