Klasyfikacja zasilaczy UPS według normy PN-EN IEC 62040-3

/ BLOG, Układy zasilania gwarantowanego / By

1. Wprowadzenie

Zasilacze UPS (Uninterruptible Power Supply) stanowią kluczowy element w zapewnieniu niezawodności systemów elektroenergetycznych. Ich zadaniem jest nie tylko podtrzymanie zasilania w przypadku awarii, ale także ochrona urządzeń przed zakłóceniami i nieprawidłowościami w sieci elektrycznej. W dobie rosnącej automatyzacji i cyfryzacji, gdzie stabilność zasilania ma bezpośredni wpływ na funkcjonowanie krytycznych procesów, wybór odpowiedniego UPS jest decyzją o strategicznym znaczeniu.

Norma PN-EN IEC 62040-3 odgrywa tutaj szczególną rolę. Stanowi uniwersalny standard klasyfikacji i oceny zasilaczy UPS, pozwalając użytkownikom na świadome dopasowanie urządzenia do specyficznych wymagań aplikacji. Dzięki precyzyjnie określonym kryteriom norma ułatwia ocenę wydajności, niezawodności oraz odporności UPS na zakłócenia.

Klasyfikacja oparta na normie PN-EN IEC 62040-3 ma na celu uporządkowanie różnorodnych typów zasilaczy, co pozwala na ich efektywne dopasowanie do wymagań środowisk pracy – od biur i laboratoriów po przemysł ciężki i aplikacje krytyczne. Dzięki temu możliwe jest wybranie takiego urządzenia, które zapewni zarówno niezawodność, jak i optymalizację kosztów operacyjnych.

2. Wyjaśnienie struktury kodu AAA-BB-CCC

AAA: Topologia UPS

Topologia zasilaczy UPS określa stopień, w jakim urządzenie jest niezależne od parametrów wejściowych sieci zasilającej (napięcia i częstotliwości). W normie wyróżnia się trzy podstawowe typy:

  1. VFD (Voltage and Frequency Dependent):
    • Napięcie i częstotliwość wyjściowa zależą bezpośrednio od parametrów sieci zasilającej.
    • W przypadku zaniku napięcia w sieci UPS przełącza się na baterię, co może powodować krótkie przerwy w zasilaniu odbiorów.
    • Najprostsze i najtańsze rozwiązanie.
    • Zastosowanie: mniej krytyczne systemy, np. małe biura czy stanowiska pracy, gdzie przerwy w zasilaniu nie powodują poważnych skutków.
  1. VI (Voltage Independent):
    • Napięcie wyjściowe jest stabilizowane niezależnie od wahań w sieci, ale częstotliwość pozostaje zależna od parametrów wejściowych.
    • Wyposażone w układ AVR (Automatic Voltage Regulation), który koryguje wahania napięcia w określonym zakresie bez konieczności przełączania na baterię.
    • Czas przełączania na baterię jest minimalny, co zwiększa niezawodność.
    • Zastosowanie: małe serwerownie, systemy IT, gdzie wymagane jest stabilne napięcie.
  1. VFI (Voltage and Frequency Independent):
    • Najbardziej zaawansowana topologia.
    • UPS typu online (z podwójną konwersją) całkowicie izoluje odbiory od zakłóceń w sieci zasilającej.
    • Napięcie i częstotliwość wyjściowa są stabilne i niezależne od parametrów wejściowych.
    • Przeznaczone dla aplikacji krytycznych, gdzie zakłócenia lub przerwy w zasilaniu są niedopuszczalne.
    • Zastosowanie: przemysł, centra danych, szpitale, systemy sterowania procesowego.

BB: Kształt napięcia wyjściowego

Ta część klasyfikacji dotyczy jakości napięcia wyjściowego i poziomu odkształceń harmonicznych, które mogą wpływać na działanie urządzeń:

  1. S (Sinusoidalny):
    • Napięcie wyjściowe ma kształt idealnie sinusoidalny.
    • Poziom harmonicznych (THD-U) jest poniżej 8%.
    • Zastosowanie: odbiory wrażliwe na jakość napięcia, takie jak urządzenia medyczne czy krytyczne systemy IT.
  2. X:
    • Napięcie sinusoidalnie odkształcone dla obciążeń nieliniowych (THD-U może przekraczać 8%).
    • Nadaje się do mniej wymagających odbiorów.
    • Zastosowanie: mało krytyczne urządzenia, np. oświetlenie.
  3. Y:
    • Napięcie wyjściowe o niestandardowym kształcie (np. prostokątnym), określanym przez producenta.
    • Może być problematyczne dla wrażliwych urządzeń.
    • Zastosowanie: specyficzne zastosowania, gdzie kształt napięcia nie wpływa na pracę urządzeń.

CCC: Właściwości dynamiczne

Sekcja ta odnosi się do zachowania UPS podczas dynamicznych zmian w obciążeniu i przełączania trybów pracy:

  1. Dynamiczne zmiany obciążenia:
    • Określa, jak szybko i dokładnie UPS potrafi stabilizować napięcie wyjściowe przy nagłych zmianach poboru mocy.
    • W systemach o wysokich wymaganiach dynamicznych (np. serwerownie) zalecana jest klasa 1.
  2. Zmiany trybu pracy (np. przełączenie z sieci na baterię):
    • Istotna jest minimalizacja czasu przełączenia oraz brak wpływu na jakość napięcia.
    • Najlepsze zasilacze UPS (np. VFI) zapewniają zerowy czas przełączenia.

Przykład interpretacji kodu AAA-BB-CCC:

  • VFI-SS-111: Najwyższej klasy UPS z podwójną konwersją, sinusoidalnym napięciem wyjściowym o niskim poziomie harmonicznych oraz doskonałymi właściwościami dynamicznymi.
  • VFD-XY-321: Prosty UPS zależny od parametrów sieci, o umiarkowanej jakości napięcia wyjściowego i mniejszej stabilności dynamicznej.

Takie klasyfikacje pomagają dobrać urządzenie idealnie dostosowane do potrzeb aplikacji przemysłowych, systemów IT czy automatyki.

3. Klasy stabilności napięcia

Klasa 1: Najwyższa stabilność napięcia (±30% dla zmian dynamicznych i ±10% dla długookresowych)

Charakterystyka:
  • Zasilacze tej klasy zapewniają minimalne odchylenia napięcia wyjściowego, nawet przy dynamicznych zmianach obciążenia.
  • Dedykowane dla najbardziej wrażliwych odbiorników, takich jak systemy automatyki procesowej (PLC, DCS), urządzenia medyczne czy centra danych.
  • Czas reakcji na zmiany obciążenia jest bardzo krótki, co zapewnia bezprzerwowe zasilanie o wysokiej jakości.
Zagrożenia w automatyce przemysłowej:
  • Brak zagrożeń bezpośrednich, pod warunkiem właściwego doboru UPS do wymagań systemu.
  • Głównym wyzwaniem mogą być koszty urządzenia – zasilacze tej klasy są drogie i mogą być przewymiarowane dla mniej krytycznych aplikacji, co prowadzi do nieoptymalnego wykorzystania zasobów.

Klasa 2: Umiarkowana stabilność napięcia

Charakterystyka:
  • Pozwala na większe wahania napięcia w stosunku do klasy 1, szczególnie w przypadku dynamicznych zmian obciążenia.
  • Nadaje się do mniej wymagających odbiorników, ale nadal utrzymuje przyzwoitą jakość napięcia.
  • Czas reakcji na zmiany obciążenia jest dłuższy niż w przypadku klasy 1, co może powodować chwilowe zakłócenia.
Zagrożenia w automatyce przemysłowej:
  • Krótkotrwałe wahania napięcia: Mogą wpływać na pracę przekaźników, elektrozaworów czy urządzeń sterujących.
  • Potencjalne zakłócenia w komunikacji: Systemy SCADA czy PLC, pracujące w sieciach komunikacyjnych, mogą doświadczać problemów z przesyłem danych w wyniku zakłóceń w napięciu.
  • Mniejsza tolerancja na zakłócenia harmoniczne: W systemach zasilających urządzenia nieliniowe mogą wystąpić odkształcenia napięcia.

Klasa 3: Znaczące niedokładności napięcia w odpowiedzi na zmiany obciążenia

Charakterystyka:
  • Zasilacze tej klasy dopuszczają większe odchylenia napięcia przy dynamicznych zmianach obciążenia.
  • Są bardziej podatne na zakłócenia w sieci i nie oferują precyzyjnej regulacji napięcia wyjściowego.
  • Stosowane w mniej krytycznych aplikacjach, takich jak oświetlenie czy systemy HVAC.
Zagrożenia w automatyce przemysłowej:
  • Przerwy w działaniu urządzeń sterujących: Systemy PLC i urządzenia automatyki procesowej mogą nie tolerować dużych odchyleń napięcia, co prowadzi do ich awarii.
  • Problemy z rozruchem silników: Napędy elektryczne wymagają stabilnego napięcia, a jego odchylenia mogą powodować nieprawidłowy rozruch lub zatrzymanie.
  • Wpływ na sensory i przetworniki: Niestabilne napięcie może powodować błędne odczyty danych z czujników.

Klasa 4: Największe odstępstwa napięcia – dla mniej wymagających zastosowań

Charakterystyka:
  • Zasilacze o największych tolerancjach na wahania napięcia i najniższej precyzji regulacji.
  • Odpowiednie do zastosowań, gdzie krótkotrwałe zakłócenia są akceptowalne, np. oświetlenie awaryjne czy systemy rezerwowe.
Zagrożenia w automatyce przemysłowej:
  • Ryzyko awarii krytycznych systemów: Systemy automatyki nie tolerują dużych odchyleń napięcia. Korzystanie z tej klasy UPS w takich aplikacjach może prowadzić do poważnych przestojów.
  • Wpływ na dokładność procesów produkcyjnych: Niestabilne napięcie może powodować zakłócenia w działaniu sterowników PLC i systemów SCADA, co prowadzi do błędów w procesach technologicznych.
  • Niezdolność do kompensacji harmonicznych: W systemach zasilających urządzenia nieliniowe mogą występować zakłócenia, które nie są filtrowane przez zasilacze tej klasy.

Podsumowanie

Wybór klasy stabilności zasilacza UPS ma kluczowe znaczenie w kontekście automatyki przemysłowej.

  • Klasa 1 to najlepszy wybór dla aplikacji krytycznych, ale jej wysoki koszt może ograniczać stosowanie w mniej istotnych systemach.
  • Klasa 2 jest kompromisem między kosztami a jakością, ale wymaga analizy, czy jest wystarczająca dla specyficznych odbiorów.
  • Klasy 3 i 4 nie nadają się do zasilania zaawansowanych systemów automatyki, ze względu na duże ryzyko zakłóceń i awarii.

4. Wskazówki dotyczące wyboru UPS dla układów automatyki przemysłowej

Kluczowe parametry wpływające na ciągłość zasilania i jakość napięcia zasilającego

  1. Stabilność napięcia wyjściowego
    • Stabilność napięcia określa, jak dokładnie UPS utrzymuje zadane napięcie wyjściowe pomimo zmian w obciążeniu lub wahań parametrów sieci wejściowej.
    • Dlaczego jest ważne?
      • Układy automatyki, takie jak sterowniki PLC, przekaźniki czy przetworniki, wymagają stabilnego napięcia. Odchylenia od znamionowej wartości mogą prowadzić do błędnych sygnałów sterujących lub awarii.
    • Kryteria wyboru:
      • Stabilność dynamiczna napięcia: ±5% dla odbiorów krytycznych.
      • Stabilność statyczna: ±1% dla najwyższej jakości zasilania.
  2. Czas przełączenia na baterię
    • Czas przełączenia (transfer time) to okres, w którym UPS przełącza się z zasilania sieciowego na baterię podczas zaniku napięcia.
    • Dlaczego jest ważne?
      • Urządzenia automatyki procesowej, takie jak elektrozawory czy sterowniki, mogą być wrażliwe nawet na mikroprzerwy (<10 ms), co prowadzi do ich resetu lub zatrzymania procesu.
    • Kryteria wyboru:
      • UPS klasy VFI (Voltage and Frequency Independent) gwarantują zerowy czas przełączenia.
  3. Przeciążalność
    • Zdolność UPS do pracy z przeciążeniem przez określony czas.
    • Dlaczego jest ważne?
      • W układach automatyki mogą wystąpić krótkotrwałe piki obciążenia, np. podczas rozruchu silników. Zasilacz musi być zdolny do ich obsługi bez wyłączania odbiorów.
    • Kryteria wyboru:
      • Przeciążalność chwilowa: ≥150% przez co najmniej 30 sekund.
      • Przeciążalność zwarciowa: 200-300% dla szybkiego wyłączenia zwarć w obwodach.
  4. Jakość napięcia wyjściowego
    • Parametry napięcia wyjściowego obejmują odkształcenia harmoniczne (THD), stabilność częstotliwości oraz współczynnik szczytu (Crest Factor).
    • Dlaczego jest ważne?
      • Zakłócenia harmoniczne mogą powodować nadmierne nagrzewanie silników, zakłócenia w układach sterowania oraz nieprawidłową pracę przekaźników.
      • Niestabilna częstotliwość wpływa na precyzję systemów SCADA i DCS.
    • Kryteria wyboru:
      • THD napięcia wyjściowego: <3% dla krytycznych odbiorów.
      • Stabilność częstotliwości: ±0,1 Hz.
      • Crest Factor: ≥3:1 dla obciążeń nieliniowych
Współczynnik szczytu (Crest Factor) – znaczenie i zastosowanie
Crest Factor (CF), czyli współczynnik szczytu, to parametr określający stosunek wartości szczytowej (maksymalnej) prądu wyjściowego do jego wartości skutecznej (RMS). Wyrażany jest jako:

Znaczenie Crest Factor w zasilaczach UPS
Wartość CF informuje o zdolności zasilacza UPS do obsługi obciążeń, które powodują impulsy prądowe o wysokiej wartości szczytowej w stosunku do wartości skutecznej. Dotyczy to w szczególności odbiorników nieliniowych, takich jak:
– Zasilacze impulsowe stosowane w komputerach i urządzeniach automatyki.
– Silniki elektryczne i napędy z regulacją częstotliwości.
– Urządzenia elektroniczne, które pobierają prąd impulsowo.
Typowe wartości CF dla zasilaczy UPS wynoszą:
3:1 – dla standardowych zasilaczy przeznaczonych do większości aplikacji.
5:1 lub wyższe – dla specjalistycznych zastosowań wymagających obsługi bardziej ekstremalnych obciążeń nieliniowych.
Dlaczego Crest Factor jest istotny?
Obciążenia nieliniowe:
W układach automatyki i IT większość urządzeń pobiera prąd w sposób nieliniowy, co oznacza, że występują duże impulsy prądowe. Zbyt niski CF może prowadzić do przeciążenia zasilacza UPS, nawet jeśli wartość skuteczna prądu (RMS) mieści się w granicach znamionowych.
Przykład: Zasilacz impulsowy z CF 3:1 przy poborze prądu RMS 10 A może generować szczytowy prąd na poziomie 30 A. UPS o niskim CF nie poradzi sobie z takim obciążeniem.
Stabilność napięcia:
Wartość CF wpływa na zdolność UPS do utrzymania stabilnego napięcia wyjściowego przy impulsowych zmianach obciążenia.
Trwałość urządzeń:
UPS o zbyt niskim CF może być przeciążany, co prowadzi do przegrzewania, szybszego zużycia komponentów i awarii.
Przykład zastosowania
Systemy IT i automatyki procesowej: Wiele urządzeń w tych środowiskach korzysta z zasilaczy impulsowych. UPS o CF 3:1 będzie odpowiedni dla większości standardowych aplikacji.
Przemysłowe linie produkcyjne: Tam, gdzie występują urządzenia z dużymi impulsami prądowymi, np. napędy o zmiennej częstotliwości, UPS z CF 5:1 może być konieczny, aby uniknąć zakłóceń.
5. Współpraca z bateriami
    • Typ baterii, czas autonomii oraz algorytmy ładowania mają kluczowe znaczenie dla zapewnienia ciągłości zasilania.
    • Dlaczego jest ważne?
      • Przy dłuższych zanikach zasilania jakość baterii decyduje o możliwości podtrzymania pracy układu.
    • Kryteria wyboru:
      • Czas autonomii dostosowany do wymagań procesu (zwykle 30 minut dla automatyki procesowej).
      • Możliwość pełnego nadzoru nad bateriami akumulatorów (odpowiednie napięcie ładowania) z algorytmami przedłużającymi ich żywotność.

Jak dopasować typ UPS do wymagań układów automatyki?

  1. Analiza wymagań zasilanych urządzeń:
    • Rodzaj obciążenia:
      • Rodzaje zasilanych urządzeń: zasilacze systemowe, elektrozawory, przepływomierze, cewki przekaźników etc..
    • Wrażliwość na przerwy:
      • Krytyczne odbiory, takie jak systemy elektrozawory, cewki przekaźników sa bardziej wrażliwe na krótkotrwałe (<10ms) zmiany napięcia zasilającego, niż zasilacze impulsowe w systemach DCS i SCADA, .
    • Czas podtrzymania zasilania:
      • W aplikacjach przemysłowych zwykle wystarczające jest 15-30 minut, co pozwala na bezpieczne zamknięcie procesów.
  2. Uwzględnienie zakłóceń w sieci:
  3. Dobór odpowiedniej klasy UPS:
    • VFI-SS-111: Optymalny wybór dla układów automatyki przemysłowej:
      • Najwyższa stabilność napięcia i jakość harmonicznych.
      • Zerowy czas przełączenia.
      • Możliwość współpracy z zaawansowanymi bateriami.

3. Dlaczego zasilacze VFI-SS-111 są optymalnym wyborem dla aplikacji krytycznych?

  1. Podwójna konwersja (VFI):
    • UPS typu VFI całkowicie izoluje odbiorniki od zakłóceń w sieci wejściowej.
    • Stabilizuje napięcie i częstotliwość, co jest kluczowe w precyzyjnych procesach automatyki.
  2. Sinusoidalny kształt napięcia (SS):
    • Minimalizuje zakłócenia harmoniczne, zapewniając kompatybilność z wrażliwymi urządzeniami.
  3. Najwyższa klasa stabilności (111):
    • Gwarantuje najwyższą niezawodność przy dynamicznych zmianach obciążenia i trybu pracy.

Podsumowanie

Dobór odpowiedniego UPS wymaga szczegółowej analizy wymagań odbiorników oraz warunków pracy. Kluczowe parametry, takie jak stabilność napięcia, czas przełączenia, przeciążalność czy jakość harmonicznych, decydują o ciągłości działania i bezpieczeństwie systemów automatyki. UPS klasy VFI-SS-111 to złoty standard dla aplikacji przemysłowych, zapewniając niezawodne zasilanie nawet w najbardziej wymagających warunkach.