Agregaty prądotwórcze - jak dobierać urządzenia? Co to jest agregat prądotwórczy-UPS?

Agregaty prądotwórcze to prądnica bądź generator napędzany najczęściej silnikiem spalinowym wysokoprężnym, rzadziej turbiną gazową. Urządzenia są źródłem zasilania energią elektryczną z możliwym bardzo długim czasem podtrzymania (nawet do kilku dni). Jak dobierać agregaty prądotwórcze? Co to jest układ agregat prądotwórczy-UPS?

Spis treści

1. Agregaty prądotwórcze - zastosowanie, parametry techniczne
2. Agregaty prądotwórcze - rodzaje napięcia
3. Agregaty prądotwórcze - budowa
4. Jak dobierać agregaty prądotwórcze?
5. Układy agregat prądotwórczy-UPS
6. Dobór układu agregat prądotwórczy-UPS
7. Układ agregat prądotwórczy-UPS - 6 możliwych problemów technicznych

Agregaty prądotwórcze - zastosowanie, parametry techniczne

Rozruch agregatu prądotwórczego trwa zwykle od kilku do kilkunastu sekund i dlatego jego wykorzystanie jako źródła zasilania awaryjnego może mieć miejsce jedynie w przypadkach, w których taka przerwa w zasilaniu jest dopuszczalna. Agregat prądotwórczy może również stanowić główne źródło zasilania obiektu zamiast sieci elektroenergetycznej.

Agregaty prądotwórcze produkowane są w bardzo szerokim zakresie mocy znamionowych, od kilku kW do kilku MW. Przy czym na rynku dostępnych jest wiele rozwiązań, które można podzielić, uwzględniając różne kryteria, np. rodzaj silnika napędowego (agregaty benzynowe – 12–15 kW i wysokoprężne (diesla) – od kilku kW do kilku MW, rodzaj prądnic (agregaty jednofazowe – do 10 kW, w wykonaniu asynchronicznym, i trójfazowe – od kilku kW do kilku MW, wyprodukowane jako synchroniczne, sposób zabudowy, rodzaj sterowania, czas rozruchu (z długotrwałym/krótkotrwałym zanikiem lub bez niego).

Najwyższą jakością i trwałością cechują się agregaty prądotwórcze z prądnicami synchronicznymi napędzanymi wysokoprężnymi silnikami diesla o znamionowej prędkości obrotowej 1500 obr./min, chłodzone cieczą. Dla agregatów prądotwórczych charakterystyczne są m.in. takie parametry, jak: moc znamionowa, napięcie wyjściowe, klasa wykonania. Moc znamionowa obejmuje trzy rodzaje mocy: trwałą (ciągłą) COP, określoną bez limitu godzin, którą agregat jest w stanie dostarczać w sposób ciągły przez nieograniczony czas w roku, szczytową PRP – największą możliwą do uzyskania przez agregat i awaryjną LTP, określoną dla limitu czasowego – 500 godzin w roku.

Agregaty prądotwórcze - rodzaje napięcia

Klasa wykonania (G1, G2, G3 i G4) informuje, jak dokładne napięcie wytwarza dany agregat (amplituda, kształt, częstotliwość – precyzyjna wartość oraz stabilność tych parametrów). Jest ona równoważna klasie wymagań i decyduje o tym, jaką grupę odbiorników agregat może zasilać.

• Klasa G1 dotyczy odbiorników, które przy zasilaniu wymagają spełnienia podstawowych parametrów w zakresie napięcia i częstotliwości (np. oświetlenie, ogrzewanie elektryczne).
• Klasa G2 dotyczy zasilania odbiorników, dla których wymagania w zakresie jakości dostarczanej energii elektrycznej są zbliżone do tych, jakie stawiane są publicznym sieciom elektroenergetycznym (np. oświetlenie, pompy, wentylatory, dźwigi). W przypadku zmian w obciążeniu dopuszczalne są chwilowe odchylenia od znamionowych wartości napięcia i częstotliwości.
• Klasa G3 dotyczy zasilania odbiorników o zwiększonych jakościowych wymaganiach w zakresie dostarczanej energii elektrycznej (np. zasilacze awaryjne UPS, systemy telekomunikacyjne).
• Klasa G4 odnosi się do odbiorników o wysokich wymaganiach.

Do zasilania urządzeń elektronicznych powinno się stosować agregat klasy nie niższej niż G2.

Agregaty prądotwórcze - budowa

Głównymi elementami konstrukcyjnymi każdego agregatu prądtwórczego są:

• silnik spalinowy,
• generator (prądnica) wraz z układem automatycznego wzbudzenia,
• regulator prędkości obrotowej oraz napięcia generatora,
• układ sterowania, automatyki SZR (opcjonalnie) i rozruchu,
• analizator sieci,
• system monitorujący pracę agregatu,
• rozdzielnica,
• aparatura łączeniowa.

Automatyka SZR umożliwia szybki i niezawodny rozruch z dostarczeniem napięcia na odbiorniki w czasie nawet od kilku do kilkunastu sekund od momentu jego zaniku w sieci. Przy czym zazwyczaj czas, jaki upływa od zaniku napięcia w sieci elektroenergetycznej do podania go ze źródła awaryjnego, nie przekracza 1 minuty.

Jak dobierać agregaty prądotwórcze?

Właściwy wybór i eksploatacja agregatu prądotwórczego ma największe znaczenie dla jego prawidłowej pracy. Najważniejszym elementem jest dobór mocy agregatu, który zależy od zapotrzebowania zasilanych odbiorników. Dlatego należy je określić, wyróżnić urządzenia jedno- i trójfazowe oraz ustalić zapotrzebowanie na moc każdego z nich. Moc odbiorników można odczytać na tabliczce znamionowej lub w instrukcji obsługi, jednak w celu dokładnej jej weryfikacji trzeba dokonać pomiarów elektrycznych w momencie rozruchu określonego urządzenia lub ich grupy, co pozwoli na ustalenie szczytowych wartości obciążeń. Następnie należy zsumować moce odbiorników, które będą uruchamiane równocześnie i wybrać taki agregat prądotwórczy, którego moc przewyższy ich łączne zapotrzebowanie o 20–30%.

Nadwyżkę tę stosuje się ze względów praktycznych na wypadek ewentualnego przyłączenia dodatkowych odbiorników, okresowego wzrostu ich mocy lub błędów w jej szacowaniu. Następnie konieczne jest ustalenie, czy agregat ma pracować wewnątrz budynku czy na zewnątrz i w jaki sposób będzie uruchamiany (ręcznie – linką, kluczykiem lub za pomocą automatyki SZR). Pomieszczenie dla agregatu powinno zostać zaprojektowane zgodnie z obowiązującymi przepisami i normami. Należy uwzględnić zalecane minimalne wymiary pomieszczenia, a także spełnić warunki odpowiedniej wentylacji oraz wyprowadzenia spalin na zewnątrz.

Przed podłączeniem agregatu do sieci trzeba uzyskać pozwolenie od operatora systemu dystrybucyjnego na jego zainstalowanie oraz spełnić warunki przyłączeniowe ustalone przez operatora systemu dystrybucyjnego. Eksploatacja agregatów prądotwórczych powinna być prowadzona przez osoby przeszkolone i uprawnione, zgodnie z zaleceniami stosownych instrukcji fabrycznych – regulują to odpowiednie przepisy, w tym BHP.

Układy agregat prądotwórczy-UPS

Układy agregat prądotwórczy-UPS, określane często mianem hybrydowych lub tandemów, umożliwiają zasilanie bezprzerwowe, które charakteryzuje się zarówno dobrymi parametrami przełączeniowymi, jak i długim czasem podtrzymania. Podczas krótkotrwałej przerwy w zasilaniu, kiedy następuje rozruch agregatu, zapotrzebowanie na energię elektryczną jest w pełni pokrywane przez energię zgromadzoną w baterii zasilacza awaryjnego UPS. Przejmuje on funkcję źródła zasilania niezwłocznie po zaniku napięcia w sieci zasilania podstawowego. Po uruchomieniu agregatu energia dostarczana jest przez UPS do odbiornika. Układy agregat-UPS stanowią pewne źródło zasilania, nawet dla odbiorów o najwyższych wymaganiach. Podstawowym warunkiem jego poprawnej pracy jest ich właściwa konfiguracja, umiejętne zaprojektowanie układu przełączającego oraz dobór urządzeń o odpowiednich parametrach.

Dobór układu agregat prądotwórczy-UPS

W układach agregaty prądotwórcze - zasilacze awaryjne UPS moc zespołu prądotwórczego oraz zasilacza UPS należy dobierać do mocy zapotrzebowanej przez zasilane odbiorniki, którą trzeba oszacować na drodze analitycznej lub pomiarowej. Musi być co najmniej taka jak przyłączonych do niego odbiorów, jednak w praktyce zakłada się jej nadwyżkę. Przy czym moc zespołu prądotwórczego zasilającego UPS-a powinna być co najmniej równa mocy pobieranej przez niego i powiększona o współczynnik przewymiarowania zespołu, wynikający z konieczności uwzględnienia sprawności zasilacza UPS, mocy potrzebnej na ładowanie baterii akumulatorów, zniekształceń THDi wprowadzanych do źródła zasilania przez zasilacz UPS, charakteru obciążeń odbiorników itp.

Współczynnik przewymiarowania zespołu prądotwórczego w stosunku do mocy zasilacza UPS w praktyce kształtuje się na poziomie 1–1,7. Jego właściwe przyjęcie wymaga dużej wiedzy specjalistycznej i doświadczenia projektanta takich układów. W sytuacji gdy obok UPS-a agregat prądotwórczy zasila inne odbiorniki, przy doborze należy dodatkowo uwzględnić sumaryczną ich moc. Ponadto trzeba zwrócić szczególną uwagę na parametry agregatu prądotwórczego, które są istotne dla prawidłowej pracy zasilacza UPS i odwrotnie – napięcie z zespołu prądotwórczego powinno charakteryzować się m.in. odpowiednią stabilnością napięcia (tolerancją napięcia) i częstotliwości napięcia agregatu (tolerancją częstotliwości) oraz niskim poziomem zawartości harmonicznych napięcia zespołu THDu. Tolerancja napięcia i częstotliwości agregatu powinna być wyższa niż na wejściu prostownika zasilacza. Jest to szczególnie istotne w stanach nieustalonych, powstałych po skokowym załączeniu obciążenia na pracujący agregat prądotwórczy.

Z punktu widzenia zespołu prądotwórczego ważne jest, aby zasilacz UPS był wyposażony w regulowany soft-start prostownika i charakteryzował się m.in. niskim poziomem zawartości harmonicznych mprądu THDi pobieranego przez prostownik, odpowiednią wartością współczynnika mocy prostownika ograniczającą pobór energii biernej z zespołu prądotwórczego oraz odpowiednią tolerancją napięcia wejściowego.

Układ agregat prądotwórczy-UPS - 6 możliwych problemów technicznych

Eksploatacja prawidłowo dobranego agregatu prądotwórczego i zasilacza UPS, pracujących osobno na określoną grupę odbiorników, zazwyczaj nie stwarza problemów. Jeśli jednak wystąpią, to stosunkowo łatwo można je rozpoznać, zdiagnozować i rozwiązać. Powstają głównie z przeciążeń, zakłóceń albo awarii urządzeń zasilających. Gdy jednak dotyczą układu agregat prądotwórczy-UPS, gdzie urządzenia te pracują razem, to może pojawić się wiele problemów wynikających z procesów zachodzących pomiędzy oddziałującymi na siebie agregatem prądotwórczym, zasilaczem UPS i odbiornikami oraz funkcjonowaniem automatyki sterującej tych urządzeń. Wspomniane problemy dotyczą m.in.: udaru prądowego i prądów harmonicznych, skokowego ładowania, wzrostu napięcia, wahań częstotliwości, synchronizacji z obejściem oraz układu automatycznego przełączania.

1. Pierwszy problem wynika z faktu, że większość zasilaczy UPS zawiera układy bateryjne z kontrolą ładowania (prostownik), które powodują gwałtowny pobór mocy z sieci zasilającej (sieć elektroenergetyczna, agregat prądotwórczy). Udary tego typu mogą m.in. spowodować zakłócenia w pracy automatyki agregatu. Ponadto urządzenia ładujące zwykle powodują odkształcenia prądu pobieranego z sieci zasilającej, co jest zjawiskiem bardzo niepożądanym. Producenci zasilaczy UPS rozwiązują ten problem poprzez zastosowanie odpowiednio zaprojektowanego filtra pasywnego. Natomiast w agregatach prądotwórczych stosowane są ograniczenia mocy związane z nadmiernym wzrostem temperatury pracy generatora.

2. Drugi problem powstaje, kiedy agregat jest uruchamiany i następuje przyłączenie zasilacza UPS, wówczas wzrost obciążenia może spowodować nagłe wahania częstotliwości i napięcia. Zwykle można uniknąć takiej sytuacji, gdy UPS ma funkcję łagodnego przyłączenia. Oznacza to, że prostownik zasilacza UPS ma pewne możliwości kontroli przepływu mocy, przez co moc pobierana przez UPS z generatora może być stopniowo zwiększana przez 10–20 s.

3. Pojawia się, gdy moc agregatu jest zbytnio zbliżona do mocy zasilacza UPS i kiedy inne obciążenie agregatu jest zbyt małe lub nie występuje. Jeśli zasilacz UPS jest połączony z agregatem za pomocą układu przełączającego, układ ładujący zasilacza UPS jest wyłączany i następuje proces łagodnego przyłączenia. Jeżeli filtr wejściowy jest jedynym obciążeniem agregatu, może dojść do zbyt dużego wzbudzenia urządzenia. Większość układów kontrolnych wzbudzenia nie jest w stanie poradzić sobie z tą nadwyżką, dlatego napięcie rośnie w sposób niekontrolowany do około 120%. Producenci agregatów rozwiązują ten problem poprzez wykorzystanie urządzeń wstępnie obciążających, które umożliwiają zlikwidowanie efektu skoku napięcia podczas rozruchu układu zasilania awaryjnego. Zasilacz UPS, który odłącza filtr wejściowy w czasie, gdy układ ładujący jest wyłączony, pozwala uniknąć powyższych trudności bez konieczności włączania urządzeń zewnętrznych.

4. Wynika z faktu, że agregaty mają ograniczone możliwości kontroli częstotliwości i odpowiedzi na zmianę obciążenia. Główny wpływ na zmiany częstotliwości mają takie czynniki, jak: bezwładność mechaniczna wirnika generatora, szybkość odpowiedzi regulatora i reakcja odbiornika na zmiany częstotliwości. Właściwe zaprojektowanie automatyki sterującej agregatu i zasilacza UPS umożliwia eliminację wahań częstotliwości. Agregat powinien być wyposażony w czuły regulator, dokładnie dopasowany do układu, bardziej wrażliwy niż regulator nadrzędny. Zaś automatyka zasilacza UPS musi być czuła na szybkie zmiany częstotliwości.

5. Wynika z faktu, że niektóre układy wymagają, aby UPS synchronizował się z układem obejściowym (tzw. by-passem), w związku z tym szczytowe obciążenie przenosi się na agregat. To zwykle powoduje potrzebę większej stabilności częstotliwości i napięcia generatora, co z kolei może spowodować trudności z integracją systemu. Dostawca zasilacza UPS powinien zwiększyć zakres tolerowanej częstotliwości, jeśli taka możliwość jest dopuszczalna dla zasilanych odbiorników.

6. Wynika z faktu, że większość układów agregat-UPS zawiera automatyczny układ, który przełącza UPS na zasilanie z sieci elektroenergetycznej, gdy powróci napięcie. Jeżeli wyłącznik obsługuje także odbiorniki silnikowe (np. występujące w systemach grzewczo-klimatyzacyjnych), filtr wejściowy zasilacza UPS dostarczy do układu dodatkową energię podczas przełączania. W sytuacji gdy proces ten nastąpi zbyt szybko, powodując nagłą zmianę fazy napięcia, może nastąpić zniszczenie zarówno silników, jak i zasilacza.

Artykuł ukazał się w publikacji „Sektor Elektroenergetyczny”Zobacz e-wydanie