Dynamiczne systemy zasilania gwarantowanego

Duże centra przetwarzania i przesyłania danych wymagają niezawodnego zasilania zarówno systemów teleinformatycznych, jak i wszystkich pozostałych systemów znajdujących się w budynku. Dla zabezpieczenia zasilania całych obiektów coraz częściej stosuje się dynamiczne systemy zasilania gwarantowanego, zbudowane na bazie silnika i generatora synchronicznego. Połączenie w jednym urządzeniu silnika i generatora synchronicznego zapewnia zarówno zasilanie o wysokiej jakości, jak i dużej niezawodności. Dynamiczne systemy zasilania gwarantowanego są zbudowane z maszyny elektrycznej, będącej kombinacją silnika i generatora synchronicznego w jednej wspólnej obudowie, w której uzwojenia generatora i silnika wzajemnie się przeplatają, a wał zespołu jest sprzęgnięty z silnikiem Diesla lub turbiną gazową za pomocą elastycznego sprzęgła elektromagnetycznego.

Przepływ energii między uzwojeniami prądnicy oraz silnika (które są umieszczone we wspólnym statorze) odbywa się na zasadzie bezpośredniego sprzężenia magnetycznego (bez przetwarzania elektromechanicznego). Rozwiązanie takie jest w stanie uzyskać sprawność na poziomie 97%. Kompaktowa konstrukcja zwiększa niezawodność maszyny oraz ułatwia konserwację, co w konsekwencji obniża koszty utrzymania. Dynamiczne systemy zasilania UPS są wyjątkowo korzystne do stosowania w aplikacjach dużych mocy (kilkaset kVA) do zasilania całych budynków, tam gdzie występuje konieczność zapewnienia zasilania podczas długotrwałych przerw.

Dynamiczne systemy w zależności od rodzaju konstrukcji możemy podzielić na:

• system dynamiczny bez sprzężenia z agregatem prądotwórczym;
• system dynamiczny sprzężony z agregatem prądotwórczym;
• system dynamiczny sprzężony z kinetycznym zasobnikiem energii.

Do głównych zalet wynikających ze stosowania systemu należy zaliczyć:

• wysokie parametry jakościowe napięcia (THD < 2%, wysoki współczynnik szczytu, wysoka moc zwarciowa zapewniająca selektywność);
• wysoką sprawność;
• wysoką niezawodność systemu (brak konieczności stosowania baterii akumulatorów) - wysoki tzw. średni czas między awariami - MTBF (Mean Time Between Failures).

Do wad systemów dynamicznych należy zaliczyć:

• wysokie wymagania dotyczące instalacji;
• nieekonomiczność w wypadku systemów małej mocy.

Flywheel - system dynamiczny sprzężony z kinetycznym zasobnikiem energii

Kinetyczny zasobnik energii, tzw. Flywheel, jest rozwiązaniem znanym i był stosowany od dawna, lecz po zbudowaniu klasycznych systemów UPS był rzadko stosowany. Rosnące jednak w ostatnim czasie wymagania dotyczące niezawodności i jakości zasilania oraz wzbogacenie systemu w układy przekształtnikowe spowodowały, że jest on coraz częściej wykorzystywany jako źródło napięcia gwarantowanego. Kinetyczny zasobnik energii (koło wirujące) służy zapewnieniu zasilania dla krótkotrwałych przerw w zasilaniu lub szybkiego rozruchu zespołu prądotwórczego.

Zastosowanie tego rozwiązania zapewnia poprawę jakości energii elektrycznej dzięki wspomaganiu podstawowego źródła zasilania i łagodzeniu wszelkich innych chwilowych zakłóceń. W trakcie normalnej pracy sieci zasilającej kinetyczny zasobnik energii jest w sposób ciągły doładowywany energią kinetyczną pobieraną z wału silnika synchronicznego. W wypadku zakłócenia zasilania z sieci koło wirujące zapewnia przepływ energii do obciążenia poprzez generator. Zastosowanie takiego systemu (silnik elektryczny - generator - przekształtnik - koło wirujące) gwarantuje czas autonomii na poziomie kilkunastu sekund. Główną zaletą takiego rozwiązania jest wysoka niezawodność (prostota rozwiązania) oraz brak wnoszonych zakłóceń, które są charakterystyczne dla urządzeń energoelektronicznych.

Perspektywy rozwoju systemów gwarantowanego zasilania

Bardzo obiecujące perspektywy mają urządzenia wykorzystujące ogniwa paliwowe. Produkcja ogniw paliwowych systematycznie wzrasta. Według firmy analityczno-konsultingowej Frost and Sullivan wartość europejskiego rynku ogniw paliwowych może wzrosnąć do 2040 r. z obecnych kilku milionów aż do 50 mld USD. Ważnym aspektem stosowania ogniw paliwowych są wysokie wymagania dotyczące ekologii, co w perspektywie powinno przełożyć się na wzrost inwestycji w tę technologię. Do zastosowań, gdzie ogniwa paliwowe są wykorzystywane, należą te, w których stosowanie agregatu prądotwórczego jest trudne, np. wyniesione stacje telekomunikacyjne lub aplikacje militarne. Ogniwa paliwowe pracujące w aplikacjach bez dostępu do sieci elektroenergetycznej często współpracują wraz z odnawialnymi źródłami energii, takimi jak turbina wiatrowa czy ogniwa fotowoltaniczne. Oprócz zastosowania w dużych systemach gwarantowanego zasilania ogniwa paliwowe są wykorzystywane do zasilania urządzeń przenośnych.

Na targach Wireless Japan 2005 Expo zaprezentowano prototypową ładowarkę o niewielkich wymiarach (150 mm x 56 mm x 19 mm), która wykorzystuje prawie 100-proc. stężenie roztworu metanolu, co umożliwia naładowanie nawet typowych trzech akumulatorków litowo-jonowych. Do rozpowszechnienia się ogniw paliwowych niezbędna jest jednak znacząca obniżka cen produkcji tych urządzeń oraz wyeliminowanie problemów związanych z bezpieczeństwem.

W razie konieczności budowy dużych systemów zasilania gwarantowanego zapewniających pełne bezpieczeństwo zasilania korzystnym rozwiązaniem jest stosowanie dynamicznych systemów zasilania. Przewaga dynamicznych systemów UPS, w szczególności tych wyposażonych w agregat prądotwórczy, w stosunku do systemów statycznych jest wyraźna szczególnie w aplikacjach dużych mocy.