UPS-y stosowane są w celu zapewnienia maksymalnej niezawodności systemu zasilania i dostępności energii o odpowiednich parametrach. Inwestycja w systemy zasilania gwarantowanego, w tym w zasilacze UPS, powinna być uwzględniona w planie kosztowym każdego przedsiębiorstwa. Produkty te pełnią funkcję parasola ochronnego dla urządzeń elektrycznych, zapewniając ciągłość zasilania oraz dobrą jakość dostarczanej energii.
Jakiego rodzaju zasilacze UPS są najchętniej wybierane do pracy w układach przemysłowych? Jakie czynniki mają wpływ na wybór UPS-ów? Jakie parametry techniczne powinny być najistotniejsze podczas decyzji zakupowej? Jakie zastosowania znajdują owe rozwiązania? Na te i inne pytania odpowiemy w raporcie opracowanym na podstawie badania przeprowadzonego wśród czytelników magazynu Inżynieria i Utrzymanie Ruchu.
Bez zasilacza ani rusz
Zasilania bezprzerwowego wymagają nie tylko linie produkcyjne, ale także aparatura medyczna, systemy fiskalne w małych i dużych sklepach oraz automatyka w szerokim tego słowa znaczeniu. Ciągłość zasilania to niezwykle istotna kwestia, gwarantująca bezpieczeństwo ludziom, mieniu oraz danym. W trosce o zapewnienie optymalnej ochrony w tym zakresie powszechnie stosuje się zasilacze UPS (Uninterruptible Power Supply). Urządzenia te skutecznie chronią sprzęt informatyczny oraz inne odbiorniki elektryczne w czasie awarii sieci, a także w przypadku wystąpienia falowania napięcia, udarów, zakłóceń wysokich częstotliwości oraz innego rodzaju nieprawidłowości.
Jest to możliwe dzięki temu, że UPS jest wyposażony w przetwornice napięcia i akumulator stanowiący autonomiczne źródło energii elektrycznej. Gdy zanika zasilanie z sieci energetycznej lub jego parametry nie są odpowiednie, zasilacz przełącza się w tryb awaryjny, co oznacza, że falownik zaczyna pobierać energię z akumulatora. Z kolei gdy powraca zasilanie z sieci, układ ponownie zaczyna czerpać z niej energię. Takie przełączanie między źródłami zasilania nie powoduje zakłócenia pracy podłączonego urządzenia, ponieważ zwykle liczone jest ono w milisekundach.
Oprócz ochrony sprzętu przed uszkodzeniem, do którego dochodzi najczęściej z powodu przepięć i skoków napięcia, wiele zasilaczy UPS przyczynia się do poprawy jakości dostarczanej energii. Rozwiązania te zapewniają także dostępność sieci komunikacyjnych i innych aplikacji, co pozwala uniknąć przestojów, a także skutecznie zapobiegają utracie danych przechowywanych w urządzeniach, które są narażone na nagłe wyłączenie systemu. Brak zasilacza UPS oznaczałby w tym wypadku modyfikację danych lub całkowitą ich utratę.
Jak wyjaśnia Arthur Chen, Product Director w firmie FSP Power Solution, UPS-y zasadniczo znajdują zastosowanie w każdym obszarze działalności, od klienta końcowego, obsługującego bezpośrednio linie produkcyjne i ich urządzenia (tzw. end-usera), aż po klienta biznesowego. Są one dedykowane głównie dla branży IT oraz powszechnie wykorzystywane w serwerowniach. Przemysłowe zasilacze UPS znajdują zastosowanie wszędzie tam, gdzie panują trudne warunki środowiskowe. Idealnie sprawdzają się m.in. w przemyśle naftowym i gazowym, w stacjach uzdatniania wody, w przemyśle morskim, w górnictwie, a także w energetyce.
Jeśli chodzi o głównych odbiorców przemysłowych zasilaczy UPS, to, jak tłumaczy Zbigniew Kołodziejski, dyrektor ds. operacyjnych w firmie Slider Technologies, są to przede wszystkim te zakłady, w przypadku których nawet krótkotrwała przerwa w procesie produkcyjnym powoduje zatrzymanie ciągu produkcyjnego oraz uszkodzenie półproduktu. Mowa tu o zakładach spożywczych, papierniczych, hutach oraz innych przedsiębiorstwach, które są sterowane komputerowo, a krótka przerwa generuje znaczące straty finansowe.
Jak wynika z badania redakcyjnego, najważniejszymi odbiorcami zasilaczy UPS są IT i telekomunikacja (82%) oraz przemysł (76%). W dalszej kolejności pojawiły się: energetyka (49%), medycyna, laboratoria (46%), zastosowania wojskowe i specjalne (39%), zastosowania konsumenckie (18%) oraz pojazdy i transport (9%) (rys. 1).
Topologie zasilaczy
Obecnie na rynku dostępne są urządzenia UPS zróżnicowane pod względem parametrów i zastosowanych technologii. Podstawowe kategorie UPS-ów występujące na rynku to zasilacze: online (VFI – Voltage & Frequency Independent), line-interactive (VI – Voltage Independent) oraz offline (VFD – Voltage & Frequency Dependent).
Powołując się na wyniki badania, zasilacze online są stosowane w zakładach 64% ankietowanych osób (rys. 2). W przypadku tych rozwiązań wartość i częstotliwość napięcia wyjściowego są niezależne od parametrów napięcia zasilającego. Jak tłumaczy Krzysztof Rokosz, młodszy Category Manager w firmie Conrad Electronic, zasilacze awaryjne z podwójną konwersją (online) zapewniają kompleksową ochronę podłączonych urządzeń, generując optymalne napięcie wyjściowe, dzięki czemu można ich użyć do zasilania najbardziej wrażliwych odbiorników. Zasilacz tego typu przetwarza napięcie z sieci na napięcie stałe, które jest zmieniane przez falownik na przebieg sinusoidalny. Wymaga to ciągłej pracy falownika, ale pozwala na całkowite odseparowanie od sieci zasilającej. Dzięki temu nie występuje zjawisko opóźnienia związane z przełączeniem pomiędzy pracą sieciową a akumulatorową. Zdaniem użytkowników najważniejszymi zaletami zasilaczy online są: wysoka jakość zasilania podłączonych urządzeń, zapewnienie najwyższego standardu ochrony i doskonałe parametry filtrowania oraz zabezpieczania przed udarami.
Jeśli chodzi o zasilacze line-interactive, w przypadku których wartość napięcia wyjściowego jest niezależna od parametrów napięcia zasilającego, zostały one wskazane przez 30% uczestników badania. Tego typu zasilacze awaryjne chronią przed zanikiem napięcia zasilającego oraz przed zakłóceniami w sieci. Zdaniem Krzysztofa Rokosza mogą być używane do zasilania urządzeń zawierających silniki. Cechą szczególną tego typu urządzeń jest synchronizacja fazowa falownika z siecią zasilającą. Pozwala to zredukować zakłócenia oraz przerwy napięcia wyjściowego. Napięcie monitorowane jest przez filtr przeciwzakłóceniowy i AVR – układ regulacji napięcia.
Z kolei zasilacze awaryjne z tzw. bierną rezerwą (offline) są używane w zakładach 21% ankietowanych. W przypadku tych rozwiązań wartość i częstotliwość napięcia wyjściowego są zależne od parametrów napięcia zasilającego. UPS-y te zapewniają ochronę urządzeń przed zanikiem prądu. W czasie pracy takiego urządzenia napięcie zasilania jest monitorowane i w razie jego zaniku, zbytniego obniżenia lub podwyższenia, układ sterowania odłącza zasilanie z sieci, a UPS przechodzi w stan pracy akumulatorowej. Zwolennicy tego typu zasilaczy doceniają je ze względu na prostą budowę, małe rozmiary, niską wagę, łatwość obsługi i niską cenę.
Trudna sztuka wyboru UPS-a
Wybór odpowiedniego UPS-a do konkretnych aplikacji stanowi dla wielu klientów nie lada wyzwanie. Na rynku dostępne są różne typy zasilaczy i w przypadku każdego z nich istotne są inne kryteria. Jak wyjaśnia Arthur Chen z firmy FSP Power Solution, wybierając dany rodzaj urządzenia, klienci głównie mają na uwadze możliwe do wystąpienia w danym środowisku pracy awarie zasilania, zaniki napięcia w sieci albo jego nagłe wzrosty. Interesują ich również parametry samego zasilacza, np. napięcie pracy, generowany hałas, zmiany częstotliwości. Jak wiadomo, podstawową częścią systemu UPS jest akumulator, więc klienci zawsze powinni dokładnie znać jego parametry. Kolejnym istotnym kryterium powinien być rodzaj zastosowanych elementów elektronicznych. Najczęściej zdarza się jednak, że te informacje nie są podawane w specyfikacji producenta, dlatego przy wyborze odpowiedniego rodzaju zasilacza UPS firma sugeruje klientom, aby wybierali znane, popularne na rynku i godne zaufania marki.
W opinii eksperta ciekawym zjawiskiem na rynku przemysłowym jest niechęć klientów do stosowania najnowszych produktów i podążania za nowymi trendami. Wciąż wolą stosować sprawdzone, stabilne rozwiązania. Ważna jest dla nich także długotrwała dostępność danego produktu na rynku.
Natomiast z obserwacji Zbigniewa Kołodziejskiego z firmy Slider Technologies wynika, że w Polsce wciąż najważniejszym kryterium wyboru zasilaczy UPS jest cena. Na szczęście trend ten się zmienia, zwłaszcza wśród producentów tzw. nowych technologii, gdzie ważniejszą rolę zaczynają odgrywać parametry techniczne i dopasowanie produktu do procesów produkcyjnych.
Czy osoby biorące udział w badaniu zwracają uwagę na parametry techniczne? Okazuje się, że jak najbardziej tak – dla 91% respondentów to najważniejsze kryterium uwzględniane podczas wyboru UPS-a (rys. 3). W dalszej kolejności brane są pod uwagę: jakość (82%), wsparcie techniczne (58%), cena (42%), dostępność (34%), długotrwała współpraca z dostawcą (24%) oraz marka producenta (22%).
Rynek zasilaczy UPS uległ dużemu rozdrobnieniu. Jak wyjaśnia Cezary Gutowski, kierownik wsparcia sprzedaży systemów zasilania gwarantowanego i szaf teleinformatycznych w firmie Schneider Electric, oprócz znanych międzynarodowych producentów operujących na rodzimym rynku, pojawiła się duża liczba nowych, nieznanych dotąd firm, w tym marki stworzone przez lokalnych dystrybutorów, w przypadku których praktycznie niemożliwe jest ustalenie pochodzenia danego produktu. Takie rozdrobnienie rynku zasilaczy z pewnością zaostrzyło konkurencję – głównie w zakresie cenowym, co niestety często przekłada się na obniżenie poziomu jakości i niezawodności urządzeń.
Wokół parametrów technicznych
Wybór odpowiedniego zasilacza awaryjnego zależy od kilku parametrów, które należy wziąć pod uwagę, by dopasować urządzenie do odpowiedniej aplikacji. Według Krzysztofa Rokosza z firmy Conrad Electronic parametrami tymi są:
→ moc (tzw. moc czynna) – wyrażana w watach (W). Jest to moc znamionowa, która może zostać wykorzystana przy wykonaniu pracy i dostarczona do podłączonych urządzeń. Przy obliczaniu zapotrzebowania mocy w celu doboru odpowiedniego zasilacza należy zsumować moc wszystkich podłączonych urządzeń z odpowiednim zapasem;
→ kształt napięcia – w tańszych modelach kształt przebiegu zmian napięcia jest zbliżony do prostokątnego. Im lepszy zasilacz, tym ten kształt coraz bardziej zbliża się do sinusoidy. Nie wszystkie urządzenia mogą być podłączone do UPS-a generującego przebieg prostokątny. Dla bezpieczeństwa należy wybierać wyłącznie UPS-y z tzw. czystą sinusoidą na wyjściu. Jest to bardzo istotne, ponieważ zaniedbanie tego warunku może doprowadzić nawet do zniszczenia podłączonych do niego urządzeń;
→ czas pracy na akumulatorach – w większości przypadków zasilacze awaryjne przy znamionowym obciążeniu pracują na akumulatorze do 5 minut. Czas ten pozwala na bezpieczne zamknięcie systemu operacyjnego komputera;
→ liczba i typ gniazd wyjściowych – w zasilaczach awaryjnych nie powinno się stosować rozgałęźników gniazd i list zasilających. Należy wybrać model urządzenia, który dysponuje odpowiednią liczbą gniazd (np. w wypadku komputera powinny to być trzy gniazda: monitor, komputer oraz np. router);
→ złącza komunikacyjne – powalają sprawdzić na komputerze stan pracy zasilacza UPS, poziom naładowania akumulatorów, a także wyłączyć komputer;
→ wygodny panel kontrolny;
→ czas przełączenia – wskazuje czas reakcji zasilacza UPS w przypadku zaniku napięcia. Optymalna wartość powinna się mieścić w przedziale do 20 ms. Im mniejsza wartość czasu przełączania, tym bezpieczniejsza praca podłączonych urządzeń.
Dobór zasilacza UPS jest uwarunkowany również wymaganiami środowiska, w którym będzie on wykorzystywany. Wybierając zasilacze UPS do zastosowań w przemyśle, należy zwrócić uwagę również na stopień ochrony pozwalający na ich zastosowanie w niesprzyjających warunkach (np. zapylenie, duża wilgotność itd.), a także na zakres temperatur roboczych oraz zabezpieczenie przed przegrzaniem, co pozwoli na zastosowanie wszędzie tam, gdzie niezbędne jest najwyższej jakości zasilanie awaryjne UPS, zapewniające zasilanie gwarantowane, a także ciągłość i niezawodność systemów automatyki, linii produkcyjnych i systemów sterowania.
Jak mówi Cezary Gutowski, z jego praktyki wynika, że klienci często zniechęcają się dużym poziomem skomplikowania zasilaczy, a co za tym idzie – wysokim kosztem serwisu. Czasami właściciele firm wybierają rozwiązania o słabszych parametrach, które są już im znane, w obawie przed procesem instalacyjnym i wdrożeniowym nieznanego urządzenia. Strach przed innowacjami nie powinien jednak stanowić przeszkody. Wystarczy wybrać producenta, który proponuje wsparcie serwisowe przy uruchamianiu urządzenia, dzięki czemu sama instalacja, a także późniejsza obsługa i serwisowanie urządzenia nie sprawią najmniejszego problemu.
Jeśli chodzi o respondentów badania redakcyjnego, okazuje się, że głównymi parametrami technicznymi branymi pod uwagę przy zakupie zasilacza UPS są przede wszystkim: znamionowa moc wyjściowa (88%), czas podtrzymania przy 80% obciążenia znamionowego (72%), zabezpieczenie: zwarciowe/przeciążeniowe/termiczne akumulatorów (55%), znamionowe napięcie wyjściowe oraz wbudowane porty komunikacyjne (46%), dopuszczalne przeciążenie oraz temperatura pracy/otoczenia (36%), częstotliwość napięcia wyjściowego (30%), miękki (soft) start/obejście (by-pass) automatyczne/ręczne (34%), częstotliwość napięcia wyjściowego (30%), znamionowe napięcie wejściowe (27%), praca równoległa (24%), technologia oraz współczynnik zawartości harmonicznych – THDu (napięcia) na wyjściu/THDi (prądu) na wejściu (21%), współczynnik mocy wejściowej/wyjściowej oraz wymiary zewnętrzne (15%), współczynnik szczytu oraz masa całkowita (12%) oraz stopień ochrony IP obudowy (9%).
Preferencje dotyczące akumulatorów
Jak wynika z badania (rys. 4), w zakładach 40% respondentów stosowane są UPS-y wyposażone w baterie wewnętrzne, zlokalizowane we wspólnej obudowie zasilacza. Z kolei 25% ankietowanych wskazało na baterie zewnętrzne – w postaci modułów bateryjnych umieszczanych w obudowach dopasowanych do zasilaczy, w zamkniętych szafach fabrycznych lub na otwartych lub zamkniętych stojakach bateryjnych. Pozostałe osoby (36%) przyznały, że w ich zakładach stosowane są UPS-y zarówno z akumulatorami wewnętrznymi, jak i zewnętrznymi.
UPS-y przemysłowe a UPS-y do zastosowań komputerowych
Jak podkreśla Grzegorz Grzegrzółka, dyrektor ds. energetyki w firmie MEDCOM, zasilacze przemysłowe UPS różnią się od UPS-ów do zastosowań komputerowych, które charakteryzują się inną przeciążalnością prądową i prostszą konstrukcją, ponieważ współpracują z odbiornikami energii o charakterze stałym. W przypadku UPS-ów w przemyśle mamy do czynienia z dynamicznym charakterem zmian obciążenia i znacznie większymi mocami.
Z kolei Cezary Gutowski zwraca uwagę na fakt, że UPS-y do zastosowań komputerowych pochodzą z produkcji seryjnej, a przemysłowe są często projektowane i produkowane według potrzeb konkretnego klienta. Stawia się wobec nich wyższe wymagania dotyczące warunków pracy (środowisko, w którym pracują, parametry elektryczne). Inne są natomiast wymagania normatywne w przypadku zastosowania ich np. w elektrowniach atomowych, na statkach czy w przemyśle petrochemicznym. Z tego względu cena zakupu i eksploatacji UPS-ów do zastosowań komputerowych jest niższa niż zasilaczy przeznaczonych do aplikacji przemysłowych. Warto dodać, że zaletą UPS–ów stosowanych w aplikacjach przemysłowych jest, niewątpliwie, bardzo długi okres eksploatacji – nawet do 20–30 lat.
Natomiast w opinii Zbigniewa Kołodziejskiego układy UPS w wersji przemysłowej w wielu wypadkach są identycznymi urządzeniami jak te stosowane np. w branży informatycznej. UPS-y przemysłowe są jednak na ogół urządzeniami posiadającymi wyższy prąd zwarciowy, a co za tym idzie – mają większą odporność na udary prądowe odbiorników. Urządzenia stosowane w przemyśle z reguły mają też większą moc, co z kolei pociąga za sobą wyższe wymagania w zakresie jakości energii. Mowa tu głównie o współczynniku mocy widzianym na wejściu UPS-a, a także o poziomie odkształcenia prądu. Wyższe wymagania w zakresie mocy zwarciowej idą często w parze z niższą sprawnością zasilacza UPS, natomiast nie jest to duża różnica względem rozwiązań stosowanych w IT.
Jak dodaje przedstawiciel firmy Slider Technologies, na polskim rynku zasilaczy UPS można znaleźć produkty niemal z całego świata. Nie są to jednak urządzenia przeznaczone wprost do zastosowań przemysłowych. UPS-y stricte przemysłowe wytwarzane są przez zaledwie kilku producentów. Jednak w dużej mierze klienci decydują się na komercyjne rozwiązania, kierując się przede wszystkim ceną.
Dostawcy mogą spać spokojnie
Z deklaracji ankietowanych wynika, że w ciągu najbliższych 2–3 lat wydatki na zakup zasilaczy UPS: zwiększą się (49%), pozostaną takie same (46%) lub się zmniejszą (5%). Jak informują respondenci, głównymi przyczynami zwiększenia budżetu przeznaczonego na ten cel są: wątpliwa jakość zasilania z sieci energetycznej, zwiększenie się liczby sterowników PLC oraz innych modułów systemowych automatyki w zakładach, konieczność stabilizacji pracy urządzeń oraz zapewnienia bezprzerwowej pracy układów sterowania, wymiana uszkodzonych, starych lub wycofanych z rynku urządzeń na nowe.
Według dostawców biorących udział w badaniu bieżąca koniunktura na polskim rynku zasilaczy UPS jest bardzo dobra (62%) oraz dobra (38%) (rys. 5). Obecnie nic nie wskazuje na to, że sytuacja ta miałaby się zmienić.
Według prognoz 80% dostawców najbliższe 2–3 lata przyniosą wzrost sprzedaży UPS-ów, głównie ze względu na coraz większą świadomość użytkowników i przekonanie co do tego, że bez pewnego zasilania nie można liczyć na sprawne funkcjonowanie eksploatowanych systemów teleinformatycznych.
Zdaniem Cezarego Gutowskiego rozwojowi rynku zasilaczy UPS w sposób oczywisty sprzyja niedoskonałość zasilania dostępnego w sieci elektroenergetycznej – przerwy w zasilaniu oraz różnorakie anomalia parametryczne wymuszają zastosowanie zasilaczy UPS, które gwarantują ciągłość pracy różnych systemów. Jeśli chodzi natomiast o bariery, to w Polsce głównym problemem jest to, że firmy pomijają ten element, przygotowując budżet inwestycyjny. Jednak w ostatnim czasie można zauważyć w tym aspekcie pewną poprawę – klienci coraz częściej są świadomi, że stosowanie zasilaczy UPS gwarantuje nie tylko bezpieczeństwo, ale przede wszystkim spokój i pewność, że sytuacja jest pod kontrolą.
Trendy i nowości
Zdaniem Zbigniewa Kołodziejskiego z firmy Slider Technologies obecnie można zauważyć również trend wskazujący na zastosowanie w układach zasilania awaryjnego innych technologii magazynowania energii niż standardowe akumulatory kwasowo-ołowiowe. W jego opinii widać wyraźne zainteresowanie odbiorców takimi technologiami, jak: koła zamachowe, superkondensatory czy szeroko rozumiane akumulatory litowe. W kolejnych latach spodziewany jest w Polsce dynamiczny rozwój przemysłu tzw. wysokich technologii, który wymusi rozwój rynku UPS-ów przemysłowych. Wzrost mocy układów przemysłowych będzie pociągać za sobą również wzrost mocy instalowanych urządzeń UPS, a także konieczność zapewnienia zasilania gwarantowanego na poziomie średniego napięcia.
Jak wyjaśnia Cezary Gutowski, w ostatnim czasie pojawiły się nowe rozwiązania w zakresie efektywności – inaczej mówiąc: sprawności/poziomu strat w UPS-ach, co ma związek z wykorzystywanymi w nich układami przetwarzania energii. Im niższe straty generowane przez UPS, tym niższe koszty zużycia energii oraz chłodzenia pomieszczeń UPS. Innym obszarem, w którym pojawiły się ciekawe nowości, są technologie bateryjne, np. akumulatory litowo-jonowe do zastosowań przemysłowych, które zapewniają długi czas eksploatacji i niższe koszty serwisu.
Według eksperta z firmy Schneider Electric obecnie bardzo duży nacisk jest kładziony na energooszczędność i minimalizowanie całkowitego kosztu posiadania oraz eksploatacji urządzeń (Total Cost of Ownership – TCO) w długim okresie – co najmniej 10 lat). Przy tym całkowity koszt dotyczy nie tylko zakupu, ale i eksploatacji oraz obsługi serwisowej. Interesującym kierunkiem jest także możliwość zdalnego sterowania zasilaczem.
Warto zauważyć, że wspomniane wcześniej innowacyjne rozwiązania w zakresie poprawy efektywności urządzeń oraz nowe technologie akumulatorowe znacząco wpływają na optymalizację TCO, co zdecydowanie zachęca przedsiębiorstwa do inwestowania w systemy zasilania gwarantowanego.
Agata Abramczyk jest dziennikarką, publicystką, autorką tekstów, pasjonatką nowoczesnych technologii; od wielu lat związaną z branżą wydawniczą.