W obliczu rosnącej automatyzacji i cyfryzacji procesów przemysłowych, ciągłość produkcji w zakładach przemysłowych staje się kluczowym wyzwaniem. Współczesne systemy sterowania, takie jak rozproszone systemy sterowania (DCS) oraz układy sterowania rozdzielnic elektroenergetycznych, są niezwykle wrażliwe na jakiekolwiek zakłócenia w dostawie energii. Przerwy w zasilaniu mogą prowadzić nie tylko do bezpośrednich strat produkcyjnych, ale także do długotrwałych przestojów spowodowanych koniecznością ponownego uruchamiania instalacji produkcyjnych i systemów. W tym kontekście, nieprzerwane zasilanie nabiera szczególnego znaczenia, zapewniając stabilność operacyjną i ochronę przed nieoczekiwanymi zdarzeniami.

Przyzwyczajeni jesteśmy, że system UPS (Uninterruptible Power Supply) jest układem napięcia przemiennego. Natomiast zaznaczyć należy, że istnieje też pojęcie DC UPS dla układów prądu stałego.

Baterie akumulatorów, jako integralna część systemów UPS , odgrywają kluczową rolę w zapewnieniu nieprzerwanego zasilania dla krytycznych systemów sterowania i rozdzielnic elektroenergetycznych. Dzięki nim możliwe jest utrzymanie ciągłości systemów, które są niezbędne dla bezpiecznej i efektywnej pracy zakładu. W rozwiązaniach przemysłowych zastosowanie mają głównie baterie akumulatorów kwasowo-ołowiowe – zarówno klasyczne z elektrolitem ciekłym jak i VRLA (Valve Regulated Lead Acid).

Dobór odpowiedniej pojemności baterii akumulatorowych jest kluczowym etapem w projektowaniu systemów UPS dla zakładów przemysłowych. Musi on uwzględniać specyficzne wymagania dotyczące czasu podtrzymania zasilania, aby zapewnić niezakłóconą pracę systemów sterowania i rozdzielnic elektroenergetycznych nawet w przypadku długotrwałych awarii zasilania. Właściwa konfiguracja systemu UPS pozwala na bezpieczne przejście przez okresy niestabilności zasilania, minimalizując ryzyko przestojów i związanych z nimi strat.

W kontekście zapewnienia ciągłości produkcji w zakładach przemysłowych, nieprzerwane zasilanie systemów sterowania i rozdzielnic elektroenergetycznych staje się fundamentem stabilnej i efektywnej operacji. Inwestycja w niezawodne systemy UPS i odpowiednio dobrane baterie akumulatorowe to nie tylko zabezpieczenie przed nieoczekiwanymi przerwami w dostawie energii, ale także kluczowy element strategii zarządzania ryzykiem, który przekłada się na zwiększenie konkurencyjności i bezpieczeństwa procesów produkcyjnych.

Pojęcia

• Ogniwo – Jest to podstawowa jednostka konstrukcyjna baterii, składająca się z dwóch elektrod (anody i katody) oraz elektrolitu. Proces chemiczny zachodzący pomiędzy elektrodami pozwala na przechowywanie i uwalnianie energii elektrycznej. W przypadku baterii kwasowo-ołowiowych znamionowe (umowne) napięcie ogniowa wynosi 2V. 
• Monoblok – To zespół połączonych ze sobą ogniw, zamkniętych w jednej obudowie. Monoblok umożliwia uzyskanie wyższego napięcia i pojemności, niż pojedyncze ogniwo. Standardowo monobloki mają napięcia 4V, 6V oraz 12V.
• Zestaw Akumulatorów (zestaw bateryjny) – To grupa połączonych ze sobą monobloków lub ogniw, które wspólnie pracują, aby dostarczyć wymaganą energię do zasilania różnych urządzeń. W przypadku systemów UPS najczęściej występują w napięciach znamionowych: 24V dla układów automatyki, 48V, 96V dla mniejszych zasilaczy UPS, 110V oraz 220V dla układów prądu stałego, 220V oraz 400V dla przemysłowych zasilaczy UPS.
• Pojemność znamionowa– Określa ilość energii, którą bateria może przechowywać i dostarczać. Wyrażana jest w amperogodzinach (Ah). Standardowo określa się pojemność dla czasu rozładowania 10h – C10, 5h – C5 oraz 1h – C1
• Cykl Ładowania – Odnosi się do procesu ładowania i rozładowania baterii. Liczba cykli ładowania wpływa na żywotność baterii, a zbyt wiele cykli może skrócić jej trwałość. 
• Napięcie buforowe – odnosi się do napięcia, przy którym bateria jest ładowana metodą ładowania buforowego (ang. float charging). Jest to proces, w którym bateria jest stale podłączona do źródła ładowania, które dostarcza prąd o napięciu wystarczającym do utrzymania baterii w pełni naładowanej, kompensując naturalne samorozładowanie, ale bez doprowadzenia do jej przeładowania. W trybie buforowym, napięcie ładowania jest utrzymywane na stałym, niskim poziomie, który jest wystarczający do zrównoważenia strat energii związanych z samorozładowaniem, ale nie na tyle wysoki, aby spowodować intensywne gazowanie czy przegrzewanie baterii. Dla baterii kwasowo-ołowiowych, typowe napięcie buforowe wynosi około 2,23 do 2,30 V na ogniwo, co dla przykładowego monobloku 12V oznacza napięcie buforowe w zakresie około 13,38 do 13,8 V
• Napięcie rozładowania – odnosi się do minimalnego poziomu napięcia, przy którym akumulator może być bezpiecznie używany bez ryzyka uszkodzenia lub znacznego skrócenia jego żywotności. Dla baterii kwasowo-ołowiowych istotne jest utrzymanie napięcia powyżej określonego minimalnego progu. Typowe napięcie rozładowania dla baterii kwasowo-ołowiowych wynosi około 1,75 do 1,80 V na ogniwo. Przekroczenie tego progu i dalsze rozładowywanie baterii może prowadzić do tzw. głębokiego rozładowania, co jest niepożądane ze względu na możliwe negatywne skutki, które mogą znacząco wpłynąć na pojemność i żywotność baterii, a nawet jej całkowitą degradacje. 

Zasady doboru baterii kwasowo-ołowiowych dla zasilaczy UPS

Dobór baterii kwasowo-ołowiowych do zasilaczy UPS jest kluczowym elementem zapewnienia ciągłości działania krytycznych systemów w zakładach przemysłowych. Baterie te, dzięki swojej niezawodności i sprawdzonej technologii, są szeroko stosowane w różnych aplikacjach, od małych biurowych UPS-ów po duże systemy zapewniające zasilanie awaryjne dla całych obiektów. Aby zapewnić optymalne działanie systemu UPS, należy wziąć pod uwagę kilka kluczowych zasad doboru baterii:

1. Ocena zapotrzebowania energetycznego – Pierwszym krokiem jest dokładna analiza i ocena całkowitego zapotrzebowania energetycznego systemów, które mają być wspierane przez UPS. Należy uwzględnić nie tylko bieżące obciążenie, ale także potencjalne przyszłe rozszerzenia oraz zapas mocy, który może być potrzebny w przypadku nieprzewidzianych okoliczności.
2. Określenie czasu podtrzymania – Czas podtrzymania (autonomii) to okres, przez który UPS musi być w stanie dostarczać energię po awarii zasilania. W zależności od wymagań operacyjnych i możliwości szybkiego przełączania na alternatywne źródła zasilania, czas ten może się różnić. Dla krytycznych aplikacji przemysłowych czas podtrzymania może być dłuższy, aby zapewnić bezpieczne zatrzymanie instalacji produkcyjnych, wyłączenie maszyn, bezpieczne zamknięcie systemów sterowania lub po prostu szybkie przywrócenie jednostki produkcyjnej do ruchu.
3. Wybór odpowiedniej technologii baterii – Baterie kwasowo-ołowiowe są dostępne w różnych wariantach: klasyczne z elektrolitem ciekłym oraz VRLA (Valve Regulated Lead Acid) (w technologii AGM (Absorbent Glass Mat) i żelowe). Każda z tych technologii ma swoje specyficzne zalety i zastosowania. 
4. Rozważenie warunków środowiskowych – Temperatura i wilgotność otoczenia mogą znacząco wpływać na wydajność i żywotność baterii kwasowo-ołowiowych. Wysokie temperatury mogą przyspieszać proces starzenia się baterii, podczas gdy niskie temperatury mogą obniżać ich wydajność. Należy zatem zapewnić odpowiednie warunki środowiskowe lub wybrać baterie z odpowiednimi specyfikacjami, aby sprostać trudnym warunkom.
5. Kalkulacja pojemności i konfiguracji baterii – Na podstawie zapotrzebowania energetycznego i wymaganego czasu podtrzymania, należy obliczyć pojemność baterii potrzebną do spełnienia tych wymagań. Ważne jest, aby uwzględnić również sprawność całego systemu UPS oraz dodatkowy margines bezpieczeństwa. Konfiguracja baterii, czyli sposób ich połączenia (szeregowo, równolegle), powinna być zaprojektowana tak, aby optymalizować wydajność i żywotność systemu.
6. Planowanie przyszłościowe i skalowalność – Przy projektowaniu systemu UPS z bateriami kwasowo-ołowiowymi warto rozważyć możliwości przyszłego rozszerzenia systemu. Skalowalne rozwiązania umożliwiają łatwe dodawanie dodatkowych baterii w miarę wzrostu zapotrzebowania na energię, co może być korzystne z punktu widzenia inwestycji długoterminowej.

Przestrzeganie tych zasad pozwoli na wybór optymalnego systemu baterii kwasowo-ołowiowych dla zasilaczy UPS, zapewniając niezawodne i efektywne zasilanie awaryjne dla krytycznych procesów przemysłowych.

Współczynniki projektowe

Przy obliczeniach związanych z doborem baterii akumulatorów trzeba brać pod uwagę odpowiednie wartości i współczynniki

Napięcie pracy

Należy określić wymagany zakres pracy układy – standardowo -15% / +10%

Współczynnik temperaturowy – Kt

Nie zawsze możliwe jest zapewnienie stałych warunków środowiskowych pracy baterii akumulatorów. Dlatego wykorzystuje się często mechanizm korekcji temperaturowej podczas ładowana baterii. Optymalna temperatura pracy to 20stC. Zakładając pracę w innych temperaturach, należy uwzględnić odpowiedni współczynnik. Dla przykładu dla temperatury pracy od 15 stC – Kt = 1,05 

Współczynnik starzenia – Ks

Z upływem czasu stan baterii akumulatorów się pogarsza, co wpływa na spadek pojemności. Wynika to z nieuniknionych procesów fizykochemicznych zarówno podczas pracy baterii w trybie buforowym, jak i pozostawieniu baterii bez ładowania. Aby zapewnić odpowiednią dyspozycyjną pojemność po czasie eksploatacji, należy uwzględnić dodatkowy współczynnik. Często jego wartość przyjmuj się na poziomie 1,25

Założenia wymagane przed rozpoczęciem doboru baterii:

Zanim przystąpi się do wyznaczania potrzebnej ilości akumulatorów dla systemu UPS, konieczne jest ustalenie wstępnych parametrów dla planowanego systemu zasilania awaryjnego oraz doprecyzowanie oczekiwań klienta dotyczących specyfiki zabezpieczanych urządzeń:

1. Wielkość obciążenia (S) w kVA,
2. Współczynnik mocy wyjściowej (cosφ),
3. sprawność falownika;
4. Czas autonomii (ta) w minutach lub godzinach,
5. redundancja gałęzi baterii akumulatorów uwzględniająca niezawodność i dostępność systemu (np. w czasie prac konserwacyjnych),
6. Napięcie znamionowe baterii
7. Napięcie buforowe baterii
8. Zakres napięcia pracy baterii akumulatorów
9. temperatura pracy,
10. żywotność akumulatorów,
11. współczynnik starzenia dla zapewnienia czasu autonomii na koniec okresu eksploatacji

Przykład obliczeń

Dobór baterii akumulatorów dla zasilacza UPS o mocy znamionowej 20kVA:

1. Moc znamionowa – S = 20kVA
2. Współczynnik mocy wyjściowej – cosφ = 1
3. Sprawność falownika – η = 85%
4. Czas autonomii (ta) – 30 minut
5. pojedyncza gałąź baterii
6. Napięcie znamionowe baterii: 220V DC
7. Napięcie buforowe baterie = 2,23V / ogniwo
8. Zakres napięcia pracy -15% / +10%
9. Temperatura pracy – min 15 stC – kt = 1,05
10. Baterie o żywotności 15 lat
11. Współczynnik starzenia – ks = 1,25

Zakres napięć

Określamy zakresy napięć pracy zestawu baterii akumulatorów

Napięcie znamionowe baterii – 220V DC

Zakres napięcia :

Umin  (-15%) = 187V  
Umax (+10%) = 242V

Moc baterii akumulatorów

Obliczmay, moc jaką potrzebujemy uzyskać z baterii akumulatorów

Pb = (S  * cosφ  * kt * ks) / η = (20 000 kVA* 1 * 1,05 * 1,25) / 0,85 = ~30 882 W

Ilość ogniw

Obliczamy, jaka jest wymaga ilość ogniw w zestawie bateryjnym

Umax / napięcie buforowe
242 V / 2,23 V  = ~108

Napięcie rozładowania

Uwzględniając napięcie minimalne zestawu baterii określamy dopuszczalne napięcie rozładowania

187V / 108 = ~1,75 V/ogniwo

W związku z powyższym moc na jedno ogniwo baterii 220V DC wynosi 30 882 / 108 = ~286W 

Oznacza to, że każde ogniwo baterii powinno oddawać w czasie 30min. stałą moc wynoszącą 286W i po 30 minutach rozładowania (czas autonomi) jego napięcie nie powinno być niższe niż 1,75 V 

Dla takiej mocy wystarczy zestaw baterii akumulatorów zbudowany z jednej gałęzi. 

Wg tabel stałomocych dostępnych w kartach katalogowych dobieramy baterię OGI bloc 6V160, która zapewnia nam 288W w czasie 30minut

---